用于二次电池的隔膜制造技术

本文提供了一种用于电化学装置(例如锂离子电池)的隔膜。本文所公开的隔膜包含多孔性基底材料和涂覆在本文所公开的多孔性基底材料的一个或两个表面上的保护性多孔层，其中保护性多孔层包含有机粘结剂和无机填料，且其中隔膜沿着TD方向和MD方向的拉伸强度的差值是约15％或更小。本文所公开的隔膜具有优异的安全性、离子透过率以及循环性能。

【技术实现步骤摘要】
用于二次电池的隔膜
本技术涉及用于电化学装置(例如锂离子电池)的隔膜。更具体地，本技术涉及一种隔膜，其中在多孔性基底材料的一个或两个表面上形成由有机粘结剂和无机填料的混合物制成的保护性多孔层。
技术介绍
锂离子电池(LIB)已经广泛用于各种应用，尤其是例如笔记本电脑、移动电话和数码相机等消费类电子产品。最近，锂离子电池由于其优越的能量和功率密度，已经开始在汽车中使用。LIB通常包括阳极、阴极、隔膜和电解液。为了防止短路，同时保持离子导电性，阳极和阴极通过隔膜彼此隔开。隔膜通常是薄的、多孔的电绝缘材料，其具有高的离子透过率、良好的机械强度以及对系统中使用的化学制品和溶剂的长久稳定性，例如电化学电池的电解液。由于大量的能量储存在完全充电状态下的电池中，因此在高性能电池系统中使用的隔膜必须安全。在电池故障(例如过度充电或短路)的情况下，这些能量不能以不受控制的方式释放，因为这会导致电池的爆炸或点燃。通常，一个典型的有机隔膜由包括聚烯烃基基底和无机涂层的复合膜组成。这些聚烯烃基隔膜的主要的缺点是低热稳定性极限。当电池的温度超过150℃或更低时，有机隔膜迅速收缩。阴极和阳极将彼此直接接触，从而引起短路区域的扩大。因此，这样的隔膜易于导致电池短路且通常不安全。因此，需要提供在高温下不引起热收缩的隔膜。日本专利第5617609号公开了一种具有关闭功能的隔膜。该隔膜包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、高密度聚乙烯(HDPE)和无机氧化物，且具有HDPE的熔点约134℃作为关闭温度。然而，由于这种隔膜仍然是聚烯烃基材料，它们缺少显著改善的安全性，包括防止在高温下热收缩。因此，在隔膜收缩或熔化的意外情况下，在阴极和阳极之间存在短路的很大可能性。在另一方面，隔膜必须足够坚固以承受电池组装期间卷绕操作的张力。为了防止在制造过程中损坏(例如隔膜撕裂)的可能性，已经进行了不同的尝试以解决该问题以及改善隔膜的性能，包括机械强度、抗磨性和柔性等。美国专利申请第20140212727A1号描述了一种具有良好的机械稳定性的隔膜，以便于在电池生产中的处理。该隔膜包含非导电性材料的纤维，和包含氧化物颗粒、无机粘合剂和聚合物颗粒的非导电性多孔涂层。该隔膜表现出与电极接触的良好层压性、良好的柔性、高的耐弯折性以及高渗透强度。然而，无机粘合剂须通过颗粒溶胶或聚合物溶胶来制备，这使得生产过程更复杂。此外，仅测量了隔膜的一些物理特性例如MacMullin数和Gurley数。然而，隔膜本身的物理特性并不能代表电池优异的性能。美国专利申请第20150380705A1号描述了一种聚烯烃隔膜，该隔膜通过调节拉伸工艺在机械方向(MD)和横向(TD)上具有高拉伸强度和低熔融收缩率。这涉及使隔膜经历TD松弛以从经历TD拉伸的隔膜去除应力。然而，拉伸工艺的调节不适用于在辊对辊工艺中高速操作的隔膜。此外，由聚烯烃制成的隔膜即使在约150℃或更低的温度下也容易收缩。鉴于上文，总是需要开发具有明显改善的机械性和热稳定性且适用于大量生产以满足锂高功率电池的性能要求的隔膜。
技术实现思路
通过本文所公开的各个方面和实施方式满足了前述需要。在一个方面，本文提供了一种二次电池的隔膜，包含多孔性基底材料和涂覆在该多孔性基底材料的一个或两个表面上的保护性多孔层，其中该保护性多孔层包含有机粘结剂和无机填料，且其中隔膜沿着TD方向和MD方向的拉伸强度的差值是约15％或更小。在一些实施方式中，无机填料选自由Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、BaOx、ZnO、CaCO3、TiN、AlN、MTiO3、K2O·nTiO2、Na2O·mTiO2及其组合构成的群组的晶须型材料，其中x是1或2；M是Ba、Sr或Ca；n是1、2、4、6或8；以及m是3或6。在某些实施方式中，晶须型材料的平均直径是约0.05μm至约3μm，且长度与直径比是约5至约300。在某些实施方式中，无机填料还包含选自由Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、BaOx、ZnO、CaCO3、TiN、AlN及其组合构成的群组的颗粒型材料，其中x是1或2。在一些实施方式中，颗粒型材料的平均直径是约100nm至约2,000nm。在一些实施方式中，颗粒型材料的平均直径是约0.6μm至约10μm。在一些实施方式中，保护性多孔层是单层结构。在某些实施方式中，颗粒型材料和晶须型材料随机分布在整个保护性多孔层中。在某些实施方式中，保护性多孔层是包含第一层和第二层的双层结构，其中第一层与多孔性基底材料相邻，且第二层在第一层上并与其接触。在一些实施方式中，颗粒型材料留在第一层中，以及晶须型材料留在第二层中。在其它实施方式中，大部分颗粒型材料留在第一层中，且大部分晶须型材料留在第二层中。在一些实施方式中，第二层和第一层的平均厚度比是约1:3至约3:1。在某些实施方式中，保护性多孔层不包括晶须型材料。在进一步实施方式中，无机填料选自由Al2O3、SiO2、TiO2、ZrO2、BaOx、ZnO、CaCO3、TiN、AlN及其组合构成的群组的颗粒型材料，其中x是1或2。在某些实施方式中，颗粒型材料的平均直径是约100nm至约2,000nm。在一些实施方式中，颗粒型材料的平均直径是约0.6μm至约10μm。在一些实施方式中，保护性多孔层是单层结构，且第一侧与多孔性基底材料相邻，且第二侧与阳极或阴极相邻，其中在第一侧的有机粘结剂的量大于在第二侧的有机粘结剂的量。在某些实施方式中，保护性多孔层是包含第一层和第二层的双层结构，其中第一层具有与多孔性基底材料相邻的第一侧以及第二层具有与阳极或阴极相邻的第二侧，且其中在第一侧的有机粘结剂的量大于在第二侧的有机粘结剂的量。在一些实施方式中，多孔性基底材料是由天然或聚合物纤维构成的无纺布。在某些实施方式中，多孔性基底材料的聚合物纤维的熔点是200℃或更高。在一些实施方式中，多孔性基底材料的聚合物纤维选自由聚酯、聚缩醛、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚醚砜、聚苯醚、聚苯硫醚、聚萘二甲酸乙二醇酯及其组合构成的群组。在某些实施方式中，聚酯是聚苯二甲酸乙二醇酯、聚苯二甲酸丁二醇酯或其组合。在某些实施方式中，有机粘结剂选自由聚酯、聚酰胺、聚醚、聚酰亚胺、聚羧酸酯、聚羧酸、聚乙烯基化合物、聚烯烃、橡胶、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯酯、聚丙烯酰胺、纤维素、醋酸纤维素、醋酸丁酸纤维素、醋酸丙酸纤维素、羧甲基纤维素、氰基乙基纤维素、氰基乙基蔗糖、聚氨酯、丁腈橡胶(NBR)、丁苯橡胶(SBR)、乳胶、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物、氟化聚合物、氯化聚合物及其组合构成的群组。在一些实施方式中，无机填料与有机粘结剂的重量比是约99:1至约1:1。在某些实施方式中，隔膜的厚度是约1μm至约80μm。在一些实施方式中，隔膜的孔隙率是约40％至约97％。附图说明图1示出实施例1的隔膜的结构示意图。图2示出实施例2的隔膜的结构示意图。图3示出具有实施例1的隔膜的全锂离子电池单元的循环性能。图4示出具有实施例2的隔膜的全锂离子电池单元的循环性能。具体实施方式一般定义术语“多孔性基底材料”是指内部具有孔或空隙的基底。用作多孔性基底材料的组分的材料可以是有机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二次电池的隔膜，包含多孔性基底材料，以及涂覆在所述多孔性基底材料的一个表面上的保护性多孔层，其中所述保护性多孔层包含有机粘结剂和无机填料，其中所述无机填料为晶须型材料，所述晶须型材料的直径是0.05μm至3μm，以及平均长度是0.05μm至30μm，其中所述晶须型材料在保护性多孔层中随机分布并形成网状结构，其中所述隔膜的厚度是1μm至80μm，且孔隙率是40％至97％；且其中所述隔膜沿着TD方向和MD方向的拉伸强度的差值是15％或更少。

【技术特征摘要】
2016.05.25 US 62/341,0761.一种二次电池的隔膜，包含多孔性基底材料，以及涂覆在所述多孔性基底材料的一个表面上的保护性多孔层，其中所述保护性多孔层包含有机粘结剂和无机填料，其中所述无机填料为晶须型材料，所述晶须型材料的直径是0.05μm至3μm，以及平均长度是0.05μm至30μm，其中所述晶须型材料在保护性多孔层中随机分布并形成网状结构，其中所述隔膜的厚度是1μm至80μm，且孔隙率是40％至97％；且其中所述隔膜沿着TD方向和MD方向的拉伸强度的差值是15％或更少。2.如权利要求1所述的二次电池的隔膜，其中所述晶须型材料的长度与直径比是5至300。3.如权利要求1所述的二次电池的隔膜，其中所述无机填料进一步包含颗粒型材料，且其中所述颗粒型材料的平均直径是100nm至10μm或1μm至10μm。4.如权利要求3所述的二次电池的隔膜，其中所述保护性多孔层是单层结构，其中所述颗粒型材料和所述晶须型材料随机分布在所述保护性多孔层中，其中所述保护性多...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄星铭，黃星雄，申培华，孔源，何锦镖，王然石，
申请(专利权)人：皓智环球有限公司，
类型：新型
国别省市：中国香港,81