CN101567434A - 一种锂离子隔膜及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电池技术领域，具体为一种锂离子电池隔膜及其应用。该隔膜以聚合物为基体，含有均匀分散、具有阻燃的无机填料。该聚合物为自由基聚合物或线形缩聚物，无机填料为氧化铝、氧化锆、氧化硅等。该隔膜具有良好的安全性能和高的机械强度，能防止气胀、燃烧和爆炸。本发明操作性强，成本较其它方法低，重现性好，所得的产品质量稳定，体积容量密度高。可用于锂离子电池。
Description
技术领域
本发明属于电池技术领域，涉及一种隔膜，更具体地说，本发明涉及一种含有均匀分散无机填料、基体为聚合物的隔膜。本发明还涉及到该隔膜的应用。
该隔膜克服了目前现有隔膜安全性差的缺点，同时又克服了目前在隔膜表面涂覆一层陶瓷粒子而造成加工性差的缺点，并具有良好的安全性能、加工性能和电化学性能，提高了隔膜及其应用的锂离子电池的安全性能。本发明操作性强，重现性好，所得的产品质量稳定，性能优良。
背景技术
众所周知，锂离子电池(包括使用聚合物电解质的聚合物锂离子电池)具有能量密度高、比功率大、循环性能好、无记忆效应、无污染等特点(参见：吴宇平，戴晓兵，马军旗，程预江.《锂离子电池-应用与实践》.北京：化学工业出版社，2004年；吴宇平，张汉平，吴锋，李朝晖，《聚合物锂离子电池》，北京：化学工业出版社，2007年)，因此它们的发展非常迅速。但是，随着技术的发展，希望锂离子电池的容量能够作得更大。然而锂离子电池容量大了以后，由于充放电过程中产生的热量更多，从而造成更严重的安全问题。其中主要的问题是隔膜在受热情况下(例如WO2005/061599)，导致熔融，使正极、负极之间容易短路，产生燃烧甚至爆炸，因为常用的隔膜为聚乙烯、聚丙烯或它们的复合物。因此，限制了电动汽车的推广和应用。
为了解决上述问题，德国德古萨公司在CN1679185申请中公开了一种隔膜，该隔膜中含有多孔的无机电绝缘涂层。这样在加热过程中，即使隔膜的聚合物基体熔化了，无机电绝缘涂层的存在还可以有效防止正极和负极之间的短路，从而大大提高了安全性能。然而该方法存在一些缺点，例如涂覆在聚合物隔膜表面的陶瓷粒子很容易从聚合物基体发生剥离、且涂覆的均匀性不易控制；如果将无机电绝缘涂层置于隔膜中间，则更是非常困难。
发明内容
为了克服目前现有隔膜安全性差的缺点，同时又克服了目前在隔膜中加入一层多孔的无机电绝缘涂层而造成加工性差的缺点，本发明提供了一种加工性能好、安全性能也好的隔膜。
本发明提出的电池隔膜，以聚合物为基体，并含有均匀分散的无机填料；
上述的聚合物基体为自由基聚合物或线形缩聚物。所述的自由基聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚丙烯腈，或它们的共聚物，或它们的共混物。所述的线型缩聚物为尼龙、聚酯或聚氨酯，或它们的共聚物或它们的共混物。
上述的无机填料为氧化铝、氧化硅或氧化锆，或它们的混合物。无机填料的平均粒径为2nm-3μm，可以是多孔的或空心的。所述无机填料的重量百分比为聚合物基体的0.1wt.％-20wt.％。
上述的隔膜为多孔的，孔隙率为10％-80％，孔径为20nm-3μm。
上述隔膜的厚度为5μm-200μm。
由于隔膜中含有均匀分散无机填料，隔膜的安全性能良好，同时还具有良好的加工性能。
由本发明提供的隔膜，可以用于锂离子电池。且本发明操作性强，重现性好，质量稳定，性能优良。
具体实施方式
下面将通过实施例进行更详细的描述，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。
对比例1
以孔隙率为60％、平均孔径为100nm、厚度为25μm、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合膜作为隔膜，以LiMn2O4作为正极的活性物质，以人造石墨作为负极的活性物质，组装后，按照目前已知的工艺加入1M LiPF6的EC/DEC/DMC(重量比1/1/1)有机电解液，化成、封口，得到容量为20Ah锂离子电池。内阻偏差超过平均值20％的电池为0％。
安全测试：将上述锂离子电池放置在120℃的烘箱中1小时，电池就发生明显膨胀，4小时后发生起火、燃烧。
对比例2
除了隔膜的两面涂覆一层厚度为20nm的氧化铝陶瓷粒子，其它条件与对比例1相同，得到容量为20Ah的锂离子电池。内阻偏差超过平均值20％的电池有5％。电池剖析结果表明，主要原因为陶瓷粒子易发生剥离或脱落。
安全测试：将上述锂离子电池放置在120℃的烘箱中4小时，电池就发生明显膨胀，12小时后没有发生起火、燃烧。
实施例1
隔膜的基体为聚乙烯，填料为氧化铝陶瓷粒子。氧化铝陶瓷粒子重量比(相对于聚合物基体而言)为5wt.％。隔膜的平均孔径为100nm，孔隙率为60％，厚度为25微米，其它条件与对比例1或2相同，生产容量为20Ah的锂离子电池。经测试，内阻偏差超过平均值10％的电池为0％。
安全测试：将上述锂离子电池放置在120℃的烘箱中6小时，电池明显发生明显膨胀，12小时后没有发生起火、燃烧。
实施例2
隔膜的基体为聚乙烯与聚丙烯共混物膜，填料为氧化锆陶瓷粒子。氧化锆陶瓷粒子重量比(相对于聚合物基体而言)为12wt.％。隔膜平均孔径为20nm，孔隙率为30％，厚度为35微米，其它条件与实施例1相同，生产容量为20Ah的锂离子电池。经测试，内阻偏差超过平均值10％的电池为0％。
安全测试：将上述锂离子电池放置在120℃的烘箱中6小时，电池明显发生明显膨胀，12小时后没有发生起火、燃烧。
实施例3
隔膜的基体为尼龙66膜，填料为空心氧化硅陶瓷粒子，空心氧化硅陶瓷粒子重量比(相对于聚合物基体而言)为1wt.％。隔膜平均孔径为500nm，孔隙率为80％，厚度为100微米，其它条件与实施例1相同，生产容量为20Ah的锂离子电池。经测试，内阻偏差超过平均值10％的电池为0％。
安全测试：将上述锂离子电池放置在150℃的烘箱中6小时，电池明显发生明显膨胀，12小时后没有发生起火、燃烧。
实施例4
隔膜的基体为聚氨酯膜，填料为空心氧化硅陶瓷粒子，空心氧化硅陶瓷粒子重量比(相对于聚合物基体而言)为8wt.％。隔膜平均孔径为80nm，孔隙率为25％，厚度为10微米，其它条件与实施例1相同，生产容量为20Ah的锂离子电池。经测试，内阻偏差超过平均值10％的电池为0％。
安全测试：将上述锂离子电池放置在150℃的烘箱中6小时，电池明显发生明显膨胀，12小时后没有发生起火、燃烧。
实施例5
隔膜的基体为聚氨酯和尼龙6共混膜，填料为氧化硅和氧化铝陶瓷粒子，氧化硅陶瓷粒子重量比(相对于聚合物基体而言)为1wt.％，氧化铝陶瓷粒子重量比(相对于聚合物基体而言)为3wt.％。隔膜平均孔径为300nm，孔隙率为60％，厚度为15微米，其它条件与实施例1相同，生产容量为20Ah的锂离子电池。经测试，内阻偏差超过平均值10％的电池为0％。
安全测试：将上述锂离子电池放置在150℃的烘箱中6小时，电池明显发生明显膨胀，12小时后没有发生起火、燃烧。
通过上述对比例和实施例之间的对比，可以看出本发明的隔膜不仅具有良好的安全性能，还具有良好的加工性能，制备的锂离子电池内阻一致性高。
Claims (5)
1.一种锂离子电池隔膜，其特征在于膜的基体为聚合物，并含有均匀分散的无机填料；
所述的聚合物基体为自由基聚合物或线形缩聚物；其中，自由基聚合物为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚丙烯腈，或它们的共聚物或它们的共混物；线型缩聚物为尼龙、聚酯或聚氨酯，或它们的共聚物或它们的共混物；
所述的无机填料为氧化铝、氧化硅或氧化锆，或它们的混合物；无机填料的重量百分比为聚合物基体的0.1wt.％-20wt.％.
2.根据权利要求1所述的隔膜，其特征在于所述的填料的平均粒径为2nm-3μm。
3.根据权利要求1或2所述的隔膜，其特征在于所述的填料是多孔的或空心的。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的隔膜，其特征在于为多孔的，孔隙率为10％-80％，孔径为20nm-3μm，膜厚度为5μm-200μm。
5.一种如权利要求1所述的隔膜在锂离子电池中的应用。
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2009
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