[發(fā)明專利]一種鋰電池隔膜及其制備方法

有效

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• 申請日: 2012-04-24
• 公開（公告）號: CN103378331A
• 公開（公告）日: 2013-10-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王玉蘭;徐世平;陳靖;王建晨
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;B32B27/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 薄觀玖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池隔膜及制造方法技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋰電池隔膜及其制備方法。

背景技術(shù)

在鋰離子電池正極、隔膜、電解質(zhì)、負(fù)極組成機構(gòu)中，鋰電池隔膜成本占電池成本的1/3左右，隔膜是具有多孔結(jié)構(gòu)的電絕緣性薄膜，它是鋰離子電池關(guān)鍵的內(nèi)層組件。其主要作用是將電池的正、負(fù)極隔開，防止兩極直接接觸發(fā)生短路；具有使離子自由通過的功能，還可以在電池過熱時，通過閉孔功能來阻隔電池中的電流傳導(dǎo)。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)性能以及安全性能等特性。因此隔膜需具有高的離子通過率，良好的機械性能和耐溶劑(電解液)的性質(zhì)。考慮到安全性能，鋰離子電池隔膜還要求具有較低的閉孔溫度和較高的熔斷溫度。

目前商品化鋰離子電池所用的隔膜多為聚烯烴單層、多層復(fù)合隔膜。這類隔膜的優(yōu)點是價格便宜、力學(xué)性能、化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性好。其中PE隔膜具有熱熔斷性能，這大大提高了電池的安全性。但這類隔膜存在許多不足之處：PE、PP結(jié)晶度高而極性小，而電解液中使用的是極性高的有機溶劑，因此，隔膜與電解液的親和性不好，幾乎不能被電解液溶脹，即絕大多數(shù)電解液以液態(tài)的形式存在于孔隙中，因此電解液容易發(fā)生泄漏；孔隙率低，由于常溫下PP和PE沒有溶劑，目前只能用熔融拉伸法制備隔膜，拉伸法不僅對設(shè)備要求極高，而且很難得到高孔隙率的膜(其中PP膜的孔隙率不超過50％，PE膜最多也只能達(dá)到60％)，導(dǎo)致膜電阻較高；耐溫性能有限，通常低于150℃，使得鋰電池的安全性降低；為進(jìn)一步提高鋰離子電池比能量，需要降低薄膜的厚度，這就使得二維孔結(jié)構(gòu)的薄膜的吸液率降低，同時影響安全性。

本技術(shù)利用核孔膜具備高密度直通孔(尺寸、密度可設(shè)計)的特性，作為鋰離子電池的隔膜材料，可以降低膜電阻，有效提高電池功率。通過高能重離子或核反應(yīng)堆輻照聚合物薄膜，在離子通過的路徑上由于高密度能量沉積使其周圍原子電離和激發(fā)，導(dǎo)致聚合物分子的長鏈斷裂、重排和產(chǎn)生自由基而形成潛徑跡，在此區(qū)域內(nèi)材料有較高的化學(xué)反應(yīng)能力，可以通過化學(xué)試劑酸液或堿液蝕刻形成孔洞，這就是核孔膜的制備原理。

普通核孔膜不能夠直接用作鋰電池隔膜。為保證電池使用安全，需要隔膜材料在100℃以上自動閉孔，同時在更高溫度下(200℃以上)仍能保持較好的成膜狀態(tài)，及一定的絕緣性能，單層核孔膜不能達(dá)到這樣的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明以核孔膜為基材制備復(fù)合膜材料，選擇復(fù)合一層可耐200℃以上高溫的材料，及一層熔點在100℃-130℃、可以使孔閉合的材料，形成三層復(fù)合膜。

PET耐溫性優(yōu)于PP，本身的耐熱性能也有很大的提高。通過在核孔膜上涂布耐高溫環(huán)氧樹脂，達(dá)到熱閉合溫度后，即使溫度進(jìn)一步升高，也不會出現(xiàn)基材完全破壞，造成大面積短路。外層涂布具有熱閉合作用的聚乙烯蠟或低熔點聚酯、EVA熱熔膠等聚合物，制備的隔膜材料具有更好的耐溫性能和熱閉合性能。

本發(fā)明提供的一種鋰電池隔膜，其特征在于：該鋰電池隔膜為三層復(fù)合膜，以核孔膜為基材，核孔膜上復(fù)合有耐高溫層，耐高溫層上復(fù)合有熱閉合層；所述耐高溫層可耐200℃以上的高溫，所述熱閉合層的熔點在100℃-130℃。

所述核孔膜采用PET核孔膜。

所述核孔膜優(yōu)選蝕刻孔徑為0.1～2μm、孔密度為5×10⁶～1×10⁹cm^-2的核孔膜。

本發(fā)明還給出了核孔膜、耐高溫層和熱閉合層的厚度：所述核孔膜厚度為6μm～20μm。所述耐高溫層厚度控制在2μm～10μm。所述熱閉合層厚度在10μm以下。

上述鋰電池隔膜的制備過程

1.1PET核孔膜

選擇厚度在25μm以下的PET薄膜，經(jīng)重離子輻照(控制孔密度)，化學(xué)蝕刻(控制孔徑尺寸)后形成核孔膜。

1.2耐高溫層復(fù)合

采用室溫或中溫固化耐高溫環(huán)氧樹脂體系涂布在PET膜上，厚度控制在2μm～10μm。可在200℃保持成膜狀態(tài)及絕緣性。耐高溫層可采用的體系包括：

(1)環(huán)氧樹脂與粉末添加劑的混合物，其中，混合物中粉末添加劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5-15％，粉末添加劑可采用二氧化鈦、二氧化硅、三氧化二鋁等。

(2)有機硅改性環(huán)氧樹脂：可室溫固化，耐溫達(dá)到200℃以上。

1.3熱閉合層復(fù)合

利用環(huán)氧樹脂體系的粘結(jié)強度，將熱閉合材料復(fù)合成為最外層。

可采用的熱閉合材料熔點在100-130℃之間，包括：聚乙烯蠟、低熔點聚酯、EVA熱熔膠等。