電化學電源隔膜及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種電化學電源隔膜及其制備方法,通過制備黏結劑及無機粉體的有機溶劑懸浮液,再將所述懸浮液涂布在制備的復合纖維隔膜基體的兩側,烘干后得到包括復合纖維隔膜基體及涂布在復合纖維隔膜基體兩側的無機粉體涂層的電化學電源隔膜。該電化學電源隔膜通過在復合纖維隔膜基體的兩側涂布導熱性能良好的無機粉體,該無機粉體涂層能有效提高電源隔膜乃至整個電化學電源的散熱性能,從而可以有效降低因過放、過充或短路造成的溫度急劇上升導致的安全隱患,電源的穩定性能得到提高。
【專利說明】電化學電源隔膜及其制備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電化學電源領域,尤其涉及一種電化學電源隔膜及其制備方法。
【背景技術】[0002]隨著人類生產力的發展,越來越多的汽車行駛在城市、鄉村的大街小巷中。汽車的普及給人們的生活帶來了極大的便利。然而,伴隨而來的問題也越來越嚴重。石油等不可再生能源的消耗不斷加速,汽車尾氣的排放給環境造成的影響也不斷擴大。人們為了解決這些問題提出發展電動汽車,以取代傳統汽車。而其中的關鍵在于是否有能量密度及功率密度足夠大、循環壽命足夠長、安全可靠的動力電池取代內燃機。電池的安全性能是電池制作過程中至關重要的一個環節。對于電化學電源(如電源鋰離子電池和超級電容器等),一個重要的安全隱患就是因為過充或過放或短路導致電源內部的溫度急劇升高從而導致燃燒或者爆炸。傳統的電化學電源普遍采用聚合物材料制作隔膜,由于聚合物的導熱性相對較差,因此當溫度達到一定程度時,聚合物材料會發生收縮甚至破裂,從而導致電源內部短路造成安全隱患。
【發明內容】
[0003]基于此,有必要提供一種導熱性能及穩定性能相對較高的電化學電源隔膜及其制備方法。
[0004]一種電化學電源隔膜,包括復合纖維隔膜基體及設在所述復合纖維隔膜基體兩側的無機粉體涂層。
[0005]在其中一個實施例中,所述復合纖維隔膜基體包括交織形成多孔結構的有機纖維與無機纖維;所述有機纖維為聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維或聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,所述有機纖維的直徑為5~40 ym;所述無機纖維為玻璃纖維、石英纖維或陶瓷纖維,所述無機纖維的直徑為;所述復合纖維隔膜基體的厚度為10~50 u mD
[0006]在其中一個實施例中,所述無機粉體為氧化鋁粉體、氧化硅粉體、氧化鎂粉體、氧化鋯粉體或氧化鈦粉體;所述無機粉體涂層的厚度為re Pm。
[0007]—種電化學電源隔膜的制備方法,包括如下步驟:
[0008]將黏結劑分散在有機溶劑中制備得到質量百分比為19T10%的黏結劑溶液或黏結劑乳液;
[0009]向所述黏結劑溶液或黏結劑乳液中加入無機粉體,攪拌均勻,制備無機粉體質量百分比為19-50%的懸浮液;
[0010]將有機纖維與無機纖維通過黏結劑混合后均勻鋪設在支撐件上,固化后去除所述支撐件形成復合纖維隔膜基體;
[0011]將所述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側;及
[0012]將涂布有所述懸浮液的復合纖維隔膜基體烘干,得到電化學電源隔膜。[0013]在其中一個實施例中,所述黏結劑為聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡膠、氟化橡膠或聚氨酯。
[0014]在其中一個實施例中,所述有機溶劑為二氯甲烷、丙酮、氯仿、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或環己烷。
[0015]在其中一個實施例中,所述無機粉體為氧化鋁粉體、氧化硅粉體、氧化鎂粉體、氧化鋯粉體或氧化鈦粉體。
[0016]在其中一個實施例中,所述無機粉體的顆粒粒徑為3~500nm。
[0017]在其中一個實施例中,所述有機纖維為聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維或聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,所述有機纖維的直徑為SlOiim ;所述無機纖維為玻璃纖維、石英纖維或陶瓷纖維,所述無機纖維的直徑為;所述復合纖維隔膜基體中,所述無機纖維的質量百分比為1%、9%。
[0018]在其中一個實施例中,所述烘干是將涂布有所述懸浮液的復合纖維隔膜基體置于干燥的空氣中或真空中,在4(Tl50 V條件下干燥處理。
[0019]上述制備的電化學電源隔膜通過在復合纖維隔膜基體的兩側涂布導熱性能良好的無機粉體,該無機粉體涂層能有效提高電源隔膜乃至整個電化學電源的散熱性能,從而可以有效降低因過放、過充或短路造成的溫度急劇上升導致的安全隱患,電源的穩定性能得到提高。此外,采用復合纖維涂布在網帶上制作的隔膜基體透氣性好,因此具有更好的倍率特性,進一步提升整個隔膜的散熱性能。電化學電源隔膜的制備方法原理簡單,對設備要求低,可以廣泛推廣應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為一實施方式的電化學電源隔膜的結構示意圖;
[0021]圖2為圖1所示電化學電源隔膜的制備流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面主要結合附圖及具體實施例對電化學電源隔膜及其制備方法作進一步詳細的說明。
[0023]如圖1所示,一實施方式的電化學電源隔膜100,其包括復合纖維隔膜基體110及設在所述復合纖維隔膜基體兩側的無機粉體涂層120。
[0024]復合纖維隔膜基體110包括有機纖維及無機纖維,其中無機纖維占復合纖維隔膜基體110的質量百分比為19^99%。有機纖維與無機纖維交織形成多孔結構。有機纖維可以為聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維或聚對苯二甲酰對苯二胺(PPTA)纖維,且有機纖維的直徑為5~40 u m。無機纖維為玻璃纖維、石英纖維或陶瓷纖維,且無機纖維的直徑為5~40 u m。在本實施方式中,復合纖維隔膜基體110的厚度為10~50 u m。
[0025]無機粉體涂層120通過黏結劑涂布在復合纖維隔膜基體110的兩側。其中,無機粉體的顆粒粒徑為3~500nm。無機粉體為氧化鋁粉體、氧化硅粉體、氧化鎂粉體、氧化鋯粉體或氧化鈦粉體。在本實施方式中,無機粉體涂層120的厚度為r6ym。
[0026]該電化學電源隔膜通過在復合纖維隔膜基體的兩側涂布導熱性能良好的無機粉體,該無機粉體涂層能有效提高電源隔膜乃至整個電化學電源的散熱性能,從而可以有效降低因過放、過充或短路造成的溫度急劇上升導致的安全隱患,電源的穩定性能得到提高。此外,采用復合纖維涂布在網帶上制作的隔膜基體透氣性好,因此具有更好的倍率特性,進一步提升整個隔膜的散熱性能。
[0027]如圖2所示,上述電化學電源隔膜的制備方法包括如下步驟:
[0028]步驟S210,將黏結劑分散在有機溶劑中制備得到黏結劑質量百分比為19Tl0%的黏結劑溶液或黏結劑乳液。
[0029]其中,黏結劑可以為聚乙烯醇、聚四氟乙烯、PVDF (聚偏氟乙烯)、改性SBR (改性丁苯橡膠)、氟化橡膠或聚氨酯。有機溶劑可以為二氯甲烷、丙酮、氯仿、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或環己烷。
[0030]步驟S220,向上述黏結劑溶液或黏結劑乳液中加入無機粉體,攪拌均勻,制備無機粉體的質量分數為1%?50%的懸浮液。
[0031]無機粉體為氧化鋁粉體、氧化硅粉體、氧化鎂粉體、氧化鋯粉體或氧化鈦粉體,且無機粉體的顆粒粒徑為3?500nm。
[0032]步驟S230,將有機纖維與無機纖維混合后通過黏結劑鋪設在支撐件上,固化后去除支撐件制備無機纖維質量百分比為1%?99%的復合纖維隔膜基體。
[0033]其中,有機纖維為PET纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維或PPTA纖維,且有機纖維的直徑為SlOym。無機纖維為玻璃纖維、石英纖維或陶瓷纖維,且無機纖維的直徑為5?40 u m0
[0034]在本實施方式中,支撐件為一呈平面狀的網帶結構,在其他實施方式中,支撐件還可以為平板等結構。
[0035]步驟S240,將懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側。
[0036]具體可以通過浸潰涂布、刮刀涂布、刮棒涂布、噴涂等方式將上述懸浮液均勻涂布在復合纖維隔膜基體的兩側。
[0037]步驟S250,將涂布有懸浮液的復合纖維隔膜基體烘干后得到上述電化學電源隔膜。
[0038]烘干過程優選在干燥的氛圍中進行,如干燥的空氣或真空等氛圍,烘干的溫度優選為 4(T200°C。
[0039]該電化學電源隔膜的制備方法原理簡單,對設備要求低,可以廣泛推廣應用。
[0040]以下為具體實施例部分
[0041]實施例1
[0042]取IOOOg的氯仿置于容器中,向含有氯仿的容器中加入40g的聚四氟乙烯,并不停攪拌,直至完全分散形成聚四氟乙烯氯仿乳液。
[0043]向該聚四氟乙烯氯仿乳液中加入20g的平均粒徑為50nm的氧化鋁粉體,并攪拌均
勻,得懸浮液。
[0044]將50g的平均直徑為10 ii m的PET纖維與50g的平均直徑為10 ii m的玻璃纖維隨機且均勻的鋪陳在網帶上,得到復合纖維隔膜基體。
[0045]以浸潰涂布的方式將上述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側,在100°C的空氣中干燥24小時,得電化學電源隔膜。
[0046]本實施例的化學電源隔膜的孔隙率為50%,孔徑為50nm,厚度為20 U m,透氣率為150S/100cc,破膜溫度高于200°C,說明該電化學電源隔膜的透氣性好,且能夠承受較高的溫度,熱穩定好。
[0047]實施例2
[0048]取IOOOg的丙酮置于容器中,向含有丙酮的容器中加入50g的PVDF,并不停攪拌,直至完全溶解形成PVDF丙酮溶液。
[0049]向該PVDF丙酮溶液中加入50g的平均粒徑為200nm的二氧化硅粉體,并攪拌均
勻,得懸浮液。
[0050]將20g的平均直徑為10 ii m的PET纖維與80份的平均直徑為10 y m的玻璃纖維隨機且均勻的鋪陳在網帶上,得到復合纖維隔膜基體。
[0051]以噴涂方式將上述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側,在100°C的真空中干燥12小時,得電化學電源隔膜。
[0052]本實施例的化學電源隔膜的孔隙率為50%,孔徑為50nm,厚度為30 U m,透氣率為200s/100CC,破膜溫度高于250°C,說明該電化學電源隔膜的透氣性好,且能夠承受較高的溫度,熱穩定好。
[0053]實施例3
[0054]取IOOOg的四氫呋喃置于容器中,向含有四氫呋喃的容器中加入40g的改性丁苯橡膠,并不停攪拌,直至完全溶解形成改性丁苯橡膠四氫呋喃溶液。
[0055]向該改性丁苯橡膠四氫呋喃溶液中加入30g的平均粒徑為IOOnm的氧化鎂粉體,并攪拌均勻,得懸浮液。
[0056]將50份的平均直徑為10 ii m的PET纖維與50份的平均直徑為10 ii m的玻璃纖維隨機且均勻的鋪陳在網帶上,得到復合纖維隔膜基體。
[0057]以刮刀涂布方式將上述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側,在100°C的真空中干燥12小時,得電化學電源隔膜。
[0058]本實施例的化學電源隔膜的孔隙率為60%,孔徑為40nm,厚度為25 U m,透氣率為150S/100cc,破膜溫度高于200°C,說明該電化學電源隔膜的透氣性好,且能夠承受較高的溫度,熱穩定好。
[0059]實施例4
[0060]取IOOOg的NMP置于容器中,向含有NMP的容器中加入40g的PVDF,并不停攪拌,直至完全溶解形成PVDF NMP溶液。
[0061 ] 向該PVDF NMP溶液中加入30g的平均粒徑為IOOnm的氧化鎂粉體,并攪拌均勻,
得懸浮液。
[0062]將50份的平均直徑為10 ii m的PET纖維與50份的平均直徑為10 ii m的玻璃纖維隨機且均勻的鋪陳在網帶上,得到復合纖維隔膜基體。
[0063]以刮刀涂布方式將上述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側,在100°C的真空中干燥12小時,得電化學電源隔膜。
[0064]本實施例的化學電源隔膜的孔隙率為60%,孔徑為40nm,厚度為25 U m,透氣率為150S/100cc,破膜溫度高于200°C,說明該電化學電源隔膜的透氣性好,且能夠承受較高的溫度,熱穩定好。
[0065]實施例5[0066]取IOOOg的二甲基甲酰胺置于容器中,向含有二甲基甲酰胺的容器中加入40g的氟化橡膠,并不停攪拌,直至完全分散形成氟化橡膠二甲基甲酰胺溶液。
[0067]向該氟化橡膠二甲基甲酰胺溶液中加入20g的平均粒徑為50nm的氧化鋁粉體,并攪拌均勻,得懸浮液。
[0068]將50g的平均直徑為10 ii m的PET纖維與50g的平均直徑為10 ii m的玻璃纖維隨機且均勻的鋪陳在網帶上,得到復合纖維隔膜基體。
[0069]以浸潰涂布的方式將上述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側,在100°C的空氣中干燥24小時,得電化學電源隔膜。
[0070]本實施例的化學電源隔膜的孔隙率為50%,孔徑為50nm,厚度為20 U m,透氣率為150S/100cc,破膜溫度高于200°C,說明該電化學電源隔膜的透氣性好,且能夠承受較高的溫度,熱穩定好。
[0071]實施例6
[0072]取IOOOg的環己烷置于容器中,向含環己烷的容器中加入40g的聚氨酯,并不停攪拌,直至完全分散形成聚氨酯環己烷溶液。
[0073]向該聚氨酯環己烷溶液中加入20g的平均粒徑為50nm的氧化鋁粉體,并攪拌均勻,得懸浮液。
[0074]將50g的平均直徑為10 ii m的PET纖維與50g的平均直徑為10 ii m的玻璃纖維隨機且均勻的鋪陳在網帶上,得到復合纖維隔膜基體。
[0075]以浸潰涂布的方式將上述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側,在100°C的空氣中干燥24小時,得電化學電源隔膜。
[0076]本實施例的化學電源隔膜的孔隙率為50%,孔徑為50nm,厚度為20 U m,透氣率為150S/100cc,破膜溫度高于200°C,說明該電化學電源隔膜的透氣性好,且能夠承受較高的溫度,熱穩定好。
[0077]實施例7
[0078]取IOOOg的二氯甲烷置于容器中,向含有二氯甲烷的容器中加入50g的聚乙烯醇,并不停攪拌,直至完全溶解形成聚乙烯醇二氯甲烷溶液。
[0079]向該聚乙烯醇二氯甲烷溶液中加入50g的平均粒徑為200nm的二氧化硅粉體,并攪拌均勻,得懸浮液。
[0080]將20g的平均直徑為10 ii m的PET纖維與80份的平均直徑為10 ii m的玻璃纖維隨機且均勻的鋪陳在網帶上,得到復合纖維隔膜基體。
[0081]以噴涂方式將上述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側,在100°C的真空中干燥12小時,得電化學電源隔膜。
[0082]本實施例的化學電源隔膜的孔隙率為50%,孔徑為50nm,厚度為30 U m,透氣率為200s/100CC,破膜溫度高于250°C,說明該電化學電源隔膜的透氣性好,且能夠承受較高的溫度,熱穩定好。
[0083]可以理解,上述實施例所用的有機溶劑及黏結劑不限于此,如有機溶劑還可以為丙酮、四氫呋喃、二氯甲烷、氯仿、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮(NMP)及環己烷中的多種溶劑的混合物等;黏結劑也可以為聚乙烯醇、聚四氟乙烯、PVDF (聚偏氟乙烯)、改性SBR (改性丁苯橡膠)、氟化橡膠及聚氨酯中多種黏結劑的混合物等,由于多種溶劑混合物的性質與單一溶劑相似,多種黏結劑混合的性質與單一黏結劑相似,在此不一一列舉。
[0084]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式,其描述較為具體和詳細,但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是,對于本領域的普通技術人員來說,在不脫離本發明構思的前提下,還可以做出若干變形和改進,這些都屬于本發明的保護范圍。因此,本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1.一種電化學電源隔膜,其特征在于,包括復合纖維隔膜基體及設在所述復合纖維隔膜基體兩側的無機粉體涂層。
2.如權利要求1所述的電化學電源隔膜,其特征在于,所述復合纖維隔膜基體包括交織形成多孔結構的有機纖維與無機纖維;所述有機纖維為聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維或聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,所述有機纖維的直徑為SlOiim ;所述無機纖維為玻璃纖維、石英纖維或陶瓷纖維,所述無機纖維的直徑為;所述復合纖維隔膜基體的厚度為KTSOym。
3.如權利要求1所述的電化學電源隔膜,其特征在于,所述無機粉體為氧化鋁粉體、氧化硅粉體、氧化鎂粉體、氧化鋯粉體或氧化鈦粉體;所述無機粉體涂層的厚度為m。
4.一種電化學電源隔膜的制備方法,其特征在于,包括如下步驟: 將黏結劑分散在有機溶劑中制備得到質量百分比為1%~10%的黏結劑溶液或黏結劑乳液; 向所述黏結劑溶液或黏結劑乳液中加入無機粉體,攪拌均勻,制備無機粉體質量百分比為19^50%的懸浮液; 將有機纖維與無機纖維通過黏結劑混合后均勻鋪設在支撐件上,固化后去除所述支撐件形成復合纖維隔膜基體; 將所述懸浮液涂布在復合纖維隔膜基體的兩側;及 將涂布有所述懸浮液的復合纖維隔膜基體烘干,得到電化學電源隔膜。
5.如權利要求4所述的`電化學電源隔膜的制備方法,其特征在于,所述黏結劑為聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡膠、氟化橡膠或聚氨酯。
6.如權利要求4所述的電化學電源隔膜的制備方法,其特征在于,所述有機溶劑為二氯甲烷、丙酮、氯仿、四氫呋喃、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或環己烷。
7.如權利要求4所述的電化學電源隔膜的制備方法,其特征在于,所述無機粉體為氧化鋁粉體、氧化硅粉體、氧化鎂粉體、氧化鋯粉體或氧化鈦粉體。
8.如權利要求4所述的電化學電源隔膜的制備方法,其特征在于,所述無機粉體的顆粒粒徑為3~500nm。
9.如權利要求4所述的電化學電源隔膜的制備方法,其特征在于,所述有機纖維為聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維或聚對苯二甲酰對苯二胺纖維,所述有機纖維的直徑為;所述無機纖維為玻璃纖維、石英纖維或陶瓷纖維,所述無機纖維的直徑為SlOiim ;所述復合纖維隔膜基體中,所述無機纖維的質量百分比為19^99%。
10.如權利要求4所述的電化學電源隔膜的制備方法,其特征在于,所述烘干是將涂布有所述懸浮液的復合纖維隔膜基體置于干燥的空氣中或真空中,在4(T150°C條件下干燥處理。
【文檔編號】H01M2/16GK103515557SQ201210201107
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年6月18日 優先權日:2012年6月18日
【發明者】周明杰, 袁賢陽, 王要兵 申請人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術有限公司