[發(fā)明專利]電化學(xué)隔離膜結(jié)構(gòu)及其制作方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210229067.3
• 申請日: 2012-07-04
• 公開（公告）號: CN103531733A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳以舜;謝承佑;張源炘;陳靜茹;謝淑玲
• 申請（專利權(quán)）人: 安炬科技股份有限公司
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M2/18
• 代理公司: 北京華夏博通專利事務(wù)所(普通合伙) 11264
• 代理人: 劉俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電化學(xué)隔離膜結(jié)構(gòu)及其制作方法，主要用于鋰電池中，用以改善收縮現(xiàn)象及高溫時的安全性能。

背景技術(shù)

二次鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，自問世以來即迅速取代了鎳鎘、鎳氫等傳統(tǒng)二次電池的地位，自1991年日本Sony公司率先將其商品化之后，市場占有率持續(xù)增加，僅僅十余年，全球產(chǎn)值就超過了鎳鎘和鎳氫電池之總和。隨著對現(xiàn)有材料和電池設(shè)計技術(shù)的改進(jìn)以及新材料的出現(xiàn)，鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域不斷被拓展，尤其是近年來3C電子產(chǎn)品不斷強調(diào)輕、薄、短小化，鋰離子電池已成為最佳的選擇。

在消費性電子或是電動車應(yīng)用市場上，鋰電池的安全性需求是最重要的產(chǎn)品評估項目，因此在電池設(shè)計上如隔離膜等提升安全性相關(guān)的材料與設(shè)計工作至為關(guān)鍵。其中隔離膜的作用主要為隔離電子避免正負(fù)電極間短路、并讓離子可自由通過；另外電池異常溫度上升時，也需隔離膜作用來關(guān)閉原先作為離子通道的細(xì)孔，避免溫度持續(xù)升高導(dǎo)致熱暴走(thermal?runaway)進(jìn)而產(chǎn)生燃燒或爆炸。也因此隔離膜產(chǎn)品本身的強度、厚度、微孔分布與熱啟動性等質(zhì)量指針，決定了電池電容量、電池循環(huán)壽命、安全性等因素，也使鋰電池隔離膜的市場發(fā)展受到矚目，尤其隔離膜價格占整體鋰電池成本的20％以上，也使得隔離膜的開發(fā)越形重要。

就目前看來，幾乎所有商業(yè)化的鋰離子電池都是采用聚烯烴類(polyolefin)的多孔高分子薄膜作為隔離膜，包含有PP、PE，乃至于PP/PE/PP三層合一的。聚烯烴類的隔離膜不僅成本較低廉，而且有優(yōu)良的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定度。

關(guān)于隔離膜的生產(chǎn)方法則可分為干式和濕式兩種。干式的制程如美國專利案5952120、6207053與6368742號所揭露采用聚烯烴類(polyolefin)作為多孔隔離膜的材料與方法，主要使用聚乙烯(polyethylene；PE)，聚丙烯(polypropylene；PP)為主要成分，或以PP/PE/PP三層迭合為一。其制作方法為先將材料融熔擠出成膜，再進(jìn)行單向或雙向的拉伸，在拉伸的過程中，硬彈性材料垂直于擠出方向平行排列的片晶結(jié)構(gòu)被拉開形成微孔，最后經(jīng)由熱定型制程固定此一微孔結(jié)構(gòu)。此法使用的材料成本低廉，但為符合鋰電池規(guī)格的所需，制程條件嚴(yán)格，導(dǎo)致隔離膜終端售價高昂，且其孔洞結(jié)構(gòu)筆直，在鋰電池負(fù)極端容易形成鋰枝晶刺穿隔離膜形成短路，因此通常會制作熱阻層或添加無機粒子減少短路造成的安全問題。

對鋰電池系統(tǒng)而言，因聚烯烴類材料的極性低，而鋰電池中所使用的電解液多半是含有鋰鹽溶解于其中的高介電系數(shù)、高極性的有機溶劑，兩者之間的親合性通常不盡理想，影響所及，電解液對隔離膜的潤濕效果不好，因而整體的離子導(dǎo)電度將遠(yuǎn)低于電解液本身的離子導(dǎo)電度。為了改善兩者的親合性，提高潤濕度，部分研究是針對于聚烯烴類材料進(jìn)行表面改質(zhì)，改善潤濕效果，如美國專利案6322923號在一聚烯烴多孔膜上披覆一層膠態(tài)高分子以增強其潤濕性；另一方法則是直接更換隔離膜材料，換為與電解液之間親合力更高的材料，甚至能與陰陽極板之間也有更高的親合力。

如前面所述，假若電池因為放熱反應(yīng)而過熱，或是受到外部高熱破壞時，隔離膜上的孔隙會關(guān)閉，使得電極間的離子無法傳導(dǎo)，進(jìn)而達(dá)到切斷電池電流的功用。基本上閉孔(Shutdown)機制的啟動是到達(dá)材料的熔點時，隔離膜會從固態(tài)轉(zhuǎn)換成液態(tài)，以聚乙烯(Polyethylene)材質(zhì)來說，其熔點大約在130℃左右。然而在熔融態(tài)中為了避免正負(fù)電極直接接觸，在熔化前都必須維持其完整性。隨著電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，隔離膜最終會熔化破裂(Meltdown)，造成正負(fù)極接觸短路，進(jìn)而導(dǎo)致爆炸。熔化破裂溫度與閉孔溫度的差異即為隔離膜的安全界線，在傳統(tǒng)或一般的聚烯烴(Polyolefin；PO)隔離膜，其溫度差相當(dāng)小，大約是在30～50℃，且取決于原料的分子量。近年來隔離膜生產(chǎn)廠商已認(rèn)知傳統(tǒng)隔離膜(主要為聚乙烯)的缺點，并嘗試一些方法來提升其安全性。其中無機復(fù)合隔離膜技術(shù)將是未來高能量電池發(fā)展所需的關(guān)鍵隔離膜材料技術(shù)。