[發明專利]一種鋰離子電池隔膜及高溫熱穩定型鋰離子電池

無效

• 申請號: 201110379586.3
• 申請日: 2011-11-25
• 公開（公告）號: CN102437302A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 劉勇標
• 申請（專利權）人: 東莞市比比克電子科技有限公司
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M10/0525
• 代理公司: 東莞市冠誠知識產權代理有限公司 44272
• 代理人: 蔡邦華

技術領域

本發明涉及鋰離子電池，尤指一種鋰離子電池隔膜及一種高溫熱穩定型鋰離子電池。

背景技術

鋰離子二次電池（簡稱鋰離子電池）由正極、負極、電解液、隔膜及包裝等構成。隔膜位于鋰離子電池的正極和負極之間，隔開正極和負極，避免正負極的直接接觸導致局部短路，減少自放電而產生的電池缺陷和可靠性安全問題。?常采用的鋰離子電池隔膜材料為聚烯烴多微孔薄膜，一般為單層或者多層的聚烯烴復合膜（圖1）。目前實現商業化應用的是聚丙烯多孔膜（PP膜）和聚乙烯多孔膜（PE膜）和PP/PE/PP的三層復合膜。隔膜在鋰離子電池中的作用是實現正負極的電子絕緣，同時由于微孔結構，和電解液一起提供了離子導電途徑。目前常用的鋰離子電池隔膜厚度大概是５－4０微米，微孔的平均孔徑為50-200納米。孔隙率范圍一般是30-70%。鋰離子電池的隔膜的厚度，平均孔徑和孔隙率確定了隔膜的離子導電的電阻。在鋰離子電池由于外界溫度升高或者內部缺陷導致隔膜的溫度升高時，聚烯烴材料會發生軟化膨脹，造成孔徑變小，孔隙率縮小；采用含有PE材質的隔膜大約在130度附近孔徑會迅速減小，空隙迅速降低，迅速的提升了隔膜的離子導電的阻抗，造成電池的電阻迅速升高，從而減少電池的電流，減少由于外部短路外部高溫帶來的不良影響。這個現象通常稱為“閉孔”或者“熱關斷”。?這個臨界溫度通常稱作“閉孔溫度”或者“熱關斷溫度”。這個特性對于電池的安全性能提升有積極的作用。

當溫度進一步升高，聚烯烴材料會發生熔化，造成多孔聚烯烴膜的尺寸收縮，局部出現孔洞，變形。這個溫度稱作“熔化溫度”。熔化溫度通常對于聚烯烴材料大約是150-180℃左右。當電池隔膜處于熔化溫度附近時，由于尺寸收縮，孔洞出現，隔膜基本上不能夠提供電子導電隔斷的基本功能，通常會發生電池的燃燒爆炸的事故。

采用聚烯烴材質的隔膜通常在130-150℃左右會產生熱收縮形變，尺寸收縮導致電池的正極和負極直接接觸。這個特性導致電池的可靠性能下降。例如在隔膜上存在局部的透孔缺陷時，或者由于內部的金屬顆粒，金屬毛刺刺穿造成電池的內部短路時，短路點由于大電流流過，局部的溫升或超過150度，達到聚烯烴膜的熔化溫度，由于常規聚烯烴材質的特性，會造成收縮，致使局部的短路點進一步擴大，帶來更高的溫升。最終可能致使電池熱失控，造成電池的燃燒或者爆炸。

內部的溫升還可能是由于在一些電池濫用的條件下產生的，例如外部針刺，機械擠壓，過充電，過放電等等。常規的聚烯烴隔膜在高溫下不能夠提供足夠的絕緣保障。

針對這個問題，常規的隔膜制造商也會通過改良配方，從采用單一的PP、PE原材料改良到采用超高分子量的材料，進行耐高溫的材質添加，或者采取共擠出復合材料的技術，能夠在一定程度上將熔化溫度提高。但是帶來設備成本變化，原材料成本提升。其他的性能例如可靠性，電化學兼容性都需要認證。

發明內容

為了實現上述目的，完成上述任務，本發明一種鋰離子電池隔膜及高溫熱穩定型鋰離子電池采用如下技術方案：

本發明一種鋰離子電池隔膜，包括作為基層的聚烯烴微孔薄膜，在所述聚烯烴微孔薄膜的一側表面上或者兩側表面上制作納米陶瓷材料涂層，所述納米陶瓷材料涂層的成分包括納米級的氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、氮化硅、氮化硼、氮化鋁中任意一種或其中的任意一種氧化物與任意一種氮化物的組合，所述納米陶瓷材料涂層的成分還包括粘結劑。

粘結劑采取鋰離子電池常用的PVDF或者SBR系列，或者電化學性能穩定的聚丙烯酸鈉系列粘結劑，主要作用是提供納米陶瓷材料涂層的穩定形成，同時與聚烯烴微孔薄膜本身粘結。?

對于容量大約為100-5000mAh的小容量鋰離子電池，聚烯烴微孔薄膜的厚度為5～20微米；對于容量通常為5Ah-200Ah的大容量的汽車動力電池及儲能電池，聚烯烴微孔薄膜的厚度為10～30微米。

?對于容量為100-5000mAh的小容量鋰離子電池，其單側納米陶瓷材料涂層的厚度為1～5um；對于容量通常為5Ah-200Ah的大容量的汽車動力電池及儲能電池，其單側納米陶瓷材料涂層的厚度為1～10um。

對于單側納米陶瓷材料涂層在5um以下的，所述納米級的氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、氮化硅、氮化硼及氮化鋁各自的平均顆粒直徑為300～1000納米。單側納米陶瓷材料涂層在5～10um之間者，所述納米級的氧化鋯、氧化鋁、氧化硅、氧化鈦、氮化硅、氮化硼及氮化鋁各自的平均顆粒直徑為700～2500納米。