CN103000849B - 一种高介电性电池隔膜 - Google Patents

一种高介电性电池隔膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高介电性的电池隔膜。该膜具有夹层结构，其外层为基体保护膜，该保护膜可以为具有多孔结构的柔性膜，也可以为不具有多孔结构的柔性膜；内层由具有高介电常数的物质组成，该层可以颗粒状态存在，也可以膜的状态存在。层与层之间通过粘结、延压的方式结合在一起。该复合膜具有离子电导率高，在组装成电池后显示出良好的大倍率充放电性能及循环性能。

Description

一种高介电性电池隔膜
技术领域
本发明属于膜材料领域，具体涉及一种化学电源用高介电性隔膜。
背景技术
隔膜是电池中关键的组件之一，其作用是将正负极隔开，防止电池内部短路。对隔膜的一般要求包括良好的机械性能，包括抗拉伸能力及良好的柔韧性，良好的界面性能，良好的离子导电性能以及对电解液的高容留性能。
通常情况下，隔膜浸没在电解液中使用。电解液由电解质与溶剂组成。电解液的离子电导率由电解质的解离度与离子在溶剂中的迁移速率两个因素共同决定。因此，对隔膜的较高要求是辅助提高电解液的离子电导率。
目前，常见的电池隔膜有多孔的聚乙烯膜（PE）、聚丙烯膜(PP)及其多孔的复合膜(PP/PE)，以及玻璃纤维膜、聚乙烯醇、醛化聚乙烯醇、水化纤维素膜和三醋酸纤维皂化膜等。这些膜具有机械性能好，耐腐蚀等的优点，在化学电源领域获得了广泛的应用。但对电解液的离子电导率没有提高作用。
现今电动工具、电动汽车等需要大功率电源的设备，对电解液的离子导电性能要求进一步提高，对隔膜的要求也相应进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：当今电池技术的发展，对电解液的离子导电性能以及电池隔膜的要求进一步提高，而现有技术中的隔膜虽然具有机械性能好，耐腐蚀等的优点，但对电解液的离子电导率没有提高作用。
为解决这一技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种高介电性电池隔膜，该电池隔膜具有3层结构，内层为高介电常数物质层，上下表层为柔性膜，层与层之间通过粘结、压延方式结合在一起，其结构如图1所示，
其中，内层高介电常数物质选自钛酸钡，钛酸锶,钛酸锶钡，钛酸铜钙，铌铁酸铅,铌镁酸铅-钛酸铅或酞菁酮中的一种或多种混合物，
作为优选：高介电常数物质可以颗粒的状态存在，颗粒的粒度范围在1纳米至100微米之间，
作为优选：高介电常数物质以多孔结构薄膜形态存在，其中，高介电常数物质在膜中的质量含量在85％以上，膜经粘接、压延的方法形成；
隔膜的上下表层柔性膜可以具有多孔结构，选自玻璃纤维膜、聚乙烯醇膜、醛化聚乙烯醇膜、水化纤维素膜、三醋酸纤维皂化膜，以及丙烯、乙烯、偏氟乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯的共聚、均聚或齐聚物膜中的一种或多种成份，
上下表层柔性膜也可以不具有多孔结构，柔性膜为甲基丙烯酸酯、丙烯腈、氯乙烯、氯丙烯或氧化乙烯在有机溶剂中形成的凝胶保护层，
作为优选：有机溶剂选自苯、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲乙基甲酰胺、甲乙基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、r-丁内酯或碳酸甲乙酯；
上下表层的柔性膜也可以不具有多孔结构，柔性膜为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、改性淀粉或合成聚合物类，如聚丙烯酸盐系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系在水中形成的凝胶保护层，
本发明的高介电性电池隔膜，上下表层所使用的材质可以相同，也可以不同，
本发明的有益效果是：复合膜具有夹层结构，一方面，内层膜提供高介电性，有效提高离子解离作用，从而提高电解液的离子电导率；另一方面，通过构筑一层无机隔离带，增强电池容量保持率，从而提升电池隔膜的综合性能。
附图说明
图1是高介电常数纳米粒子改性锂电池隔膜的结构示意图，其中：
1——柔性膜；
2——高介电常数纳米粒子层；
3——柔性膜。
图2是实施例1与对比实施例1中的电池体系在不同倍率下的循环性能。
具体实施方式
实施例1
本实施例描述了第一层和第三层膜均为常规锂电池用PP-PE多孔复合膜，第二层膜为BaTiO3颗粒组成的隔膜，用于Li-LiMn2O4电池中的情况。
1)将0.90g BaTiO3溶于5mLN-甲基吡咯烷酮中，超声震荡30分钟，使其分散均匀；
2)将分散液均匀涂覆在常规锂电池用PP-PE基体膜上，涂覆层厚度为50μm；
3）然后再覆盖上另一层常规锂电池用PP-PE基体膜；
4）将其放入真空箱中80℃下烘12小时，得到夹层复合膜a。
将上述夹层复合膜a与常规锂电池用PP-PE膜分别组装成模型电池体系：常规不锈钢电极/隔膜+电解液（1M LiPF6/EC+EMC+DMC）/常规不锈钢电极，其中，乙烯碳酸酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)的体积比为1:1:1，LiPF6浓度为1mol/L，即1M。测交流阻抗，通过以下公式计算得到离子电导率σ，其结果如下表1：
σ=L/(R*S)
其中，L：隔膜厚度，S：电极与隔膜接触面积，R：交流阻抗值
表1
在制备过程中，如粘结、高温烘干和滚压等操作，会使膜层的厚度改变，厚度变薄。
5）取锰酸锂为正极活性物质，取导电炭黑SP为导电剂，PTFE为粘结剂，按照活性物质：导电剂：粘结剂为80:10:10的重量比例，搅拌混合均匀，涂覆在铝箔上，涂层厚度为10μm，60℃烘箱中鼓风干燥48h，120℃真空干燥12h。作为正极。
隔膜采用上述夹层复合膜a，与上述制备的正极材料LiMn2O4（极片尺寸：5mm×5mm），负极材料锂片（直径：12mm）以及1M LiPF6/EC+EMC+DMC电解液组装成电池。
对比实施例1
将实施例1中制备的正极材料LiMn2O4（极片尺寸：5mm×5mm），负极材料锂片（直径：12mm）以及1M LiPF6/EC+EMC+DMC电解液组装成电池，隔膜采用上述单层常规锂电池用PP-PE复合多孔膜，
同时检测上述实施例1及其对比实施例1所得电池的倍率充放电性能，检测条件：Charge：0.2C,0.5C,1C,1.5C,2C,2.5C,3C,cut off：4.2V，Discharge：0.2C,0.5C,1C,1.5C,2C,2.5C,3C,cut off：3.0V。
实施例1与对比实施例1中的电池体系在不同倍率下的循环性能见图2所示。
实施例2
本实施例描述了第一层膜为常规锂电池用PP-PE复合多孔膜，第二层膜为钛酸锶膜，第三层膜为聚偏氟乙烯PVDF膜（由以下步骤2制备得来），组成隔膜，用于石墨-LiCoO2锂离子电池中的情况。
（1）取9.5g钛酸锶，加0.5g聚偏氟乙烯，用6mLNMP溶解后涂布于玻璃片上，涂覆层厚度为50μm，80℃真空干燥成膜待用；
（2）取聚偏氟乙烯5g，溶解于50g NMP中，涂布于玻璃片上，涂覆层厚度为10μm，80℃真空干燥成膜，即聚偏氟乙烯PVDF膜；
（3）将步骤（1）所得膜夹在常规锂电池用PP-PE复合多孔膜和步骤（2）所得聚偏氟乙烯PVDF膜之间，用辊压机压延在一起。得到夹层复合膜b。
将上述夹层复合膜b，常规锂电池用PP-PE膜以及上述步骤（2）所制得的PVDF膜依次作为电池隔膜，组成模型电池体系：常规不锈钢电极/隔膜+电解液（1M LiPF6/EC+EMC+DMC）/常规不锈钢电极，其中，乙烯碳酸酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)的体积比为1:1:1，LiPF6浓度为1mol/L，即1M。测交流阻抗，通过以下公式计算得到离子电导率σ，其结果如下表2：
σ=L/(R*S)
其中，L：隔膜厚度，S：电极与隔膜接触面积，R：交流阻抗值
表2
在制备过程中，如粘结、高温烘干和滚压等操作，会使膜层的厚度改变，厚度变薄。
（4）取钴酸锂为正极活性物质，取导电炭黑SP为导电剂，丁苯胶乳为粘结剂，按照活性物质：导电剂：粘结剂为75:15:10的重量比例，搅拌混合均匀，在辊压机上辊压成薄膜，厚度为10μm，50℃烘箱中鼓风干燥48h，140℃真空干燥19h。压在泡沫镍上，作为正极。
（5）取改性天然石墨为负极活性物质，取炭黑KS-6为导电剂，聚偏氟乙烯为粘结剂，NMP为溶剂，按照活性物质：导电剂：粘结剂为90:2:8的重量比例，搅拌混合均匀，涂布于铜箔上，涂覆层厚度为10μm，50℃烘箱中鼓风干燥48h，140℃真空干燥19h。作为负极。
在上述正负极之间放置步骤（3）所得厚度30μm的夹层复合膜b为隔膜，滴加电解液（1M LiPF6/EC+EMC+DMC），其中，乙烯碳酸酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)的体积比为1:1:1，LiPF6浓度为1mol/L，即1M。使得电解液浸润正负极及隔膜。
所得电池在1C倍率下循环300周，工作电压3.7V，容量保持率为86%。
实施例3
本实施例描述了第一层膜为常见微米级尼龙无纺布，第二层膜为钛酸铜钙颗粒，第三层膜为聚乙烯醇膜，组成隔膜，用于镍氢电池中的情况：
（1）取聚乙烯醇5g，用蒸馏水溶解涂膜，在50℃加热干燥5h，得到聚乙烯醇膜；在其上均匀撒播一层粒度为2-2.5μm的钛酸铜钙，撒播厚度为10μm；在其上覆盖一层常见微米级尼龙无纺布，将所得该夹层膜用辊压机压实，得到夹层复合膜c。
将上述夹层复合膜c和常见微米级尼龙无纺布分别作为电池隔膜，组成模型电池体系：常规不锈钢电极/隔膜+电解液（1M LiPF6/EC+EMC+DMC）/常规不锈钢电极，其中，乙烯碳酸酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)的体积比为1:1:1，LiPF6浓度为1mol/L，即1M。测交流阻抗，通过以下公式计算得到离子电导率σ，其结果如表3：
σ=L/(R*S)
其中，L：隔膜厚度，S：电极与隔膜接触面积，R：交流阻抗值
表3
在制备过程中，如粘结、高温烘干和滚压等操作，会使膜层的厚度改变，厚度变薄。
（2）取NiOOH为正极活性物质，取导电炭黑SP为导电剂，PTFE为粘结剂，按照活性物质：导电剂：粘结剂为80:10:10的重量比例，搅拌混合均匀，在辊压机上辊压成薄膜，厚度为10μm，60℃烘箱中鼓风干燥48h，120℃真空干燥12h。压在泡沫镍上，作为正极。
（3）取LaNi5为负极活性物质，取炭黑KS-6为导电剂，PTFE为粘结剂，NMP为溶剂，按照活性物质：导电剂：粘结剂为90:5:5的重量比例，投入到NMP溶剂中，搅拌混合均匀，涂布于镍网上，涂覆层厚度为10μm，60℃烘箱中鼓风干燥48h，120℃真空干燥12h。作为负极。
（4）30%的KOH水溶液作为电解液。隔膜用步骤（1）中所得的夹层复合膜c。
所得电池在1C倍率下循环300周，工作电压1.2V，容量保持率为92%。
实施例4
本实施例描述了第一层膜为微米级玻璃纤维，第二层膜为铌镁酸铅-钛酸铅颗粒，第三层膜为玻璃纤维，用于锌镍电池中的情况：
（1）取9.5g粒度为45-50nm的铌镁酸铅-钛酸铅（两者重量比1:1），加入0.5gPTFE，用水稀释，并搅拌均匀使呈膏状，
（2）取一层微米级玻璃纤维膜，将步骤（1）中所得化合物涂布于其上。涂布厚度控制为50μm，50℃干燥5h，在涂布层上覆盖一层微米级玻璃纤维膜，80℃进一步真空干燥8h，在滚压机上滚压，得到夹层复合膜d。
将上述夹层复合膜d和玻璃纤维膜分别作为电池隔膜，组成模型电池体系：常规不锈钢电极/隔膜+电解液（1M LiPF6/EC+EMC+DMC）/常规不锈钢电极，其中，乙烯碳酸酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二甲酯(DMC)的体积比为1:1:1，LiPF6浓度为1mol/L，即1M。测交流阻抗，通过以下公式计算得到离子电导率σ，其结果如表4：
σ=L/(R*S)
其中，L：隔膜厚度，S：电极与隔膜接触面积，R：交流阻抗值
表4
在制备过程中，如粘结、高温烘干和滚压等操作，会使膜层的厚度改变，厚度变薄。
（3）取锌粉与石墨混合物（锌与石墨的质量比为8:2）为负极活性物质，取炭黑KS-6为导电剂，PTFE为粘结剂，NMP为溶剂，按照活性物质：导电剂：粘结剂为85:8:7的重量比例，投入到NMP溶剂中，搅拌混合均匀，涂覆在镍网上，涂覆层厚度为10μm，60℃烘箱中鼓风干燥48h，120℃真空干燥12h。作为负极。
（4）以NiOOH为正极板材料（制备同实例3），30%的KOH水溶液为电解液，隔膜采用步骤（2）中所得夹层复合膜d。
所得电池在1C倍率下循环300周，工作电压1.6V，容量保持率为85%。
上述通过实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施例。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还有更多的实施形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种高介电性电池隔膜，其特征在于：所述的高介电性电池隔膜具有3层结构，内层为高介电常数物质层，上下表层为柔性膜，所述的高介电常数物质层以多孔结构薄膜形态存在，其中，高介电常数物质在膜中的质量含量为100％，高介电常数物质层经压延的方法形成，
所述的高介电常数物质以颗粒的状态存在，颗粒的粒度范围在1纳米至100微米之间，
所述的上下表层柔性膜具有多孔结构，为玻璃纤维膜、聚乙烯醇膜、醛化聚乙烯醇膜、水化纤维素膜、三醋酸纤维皂化膜，以及丙烯、乙烯、偏氟乙烯、四氟乙烯、六氟丙烯的共聚、均聚或齐聚物膜中的一种或多种成份，
或者所述的上下表层柔性膜不具有多孔结构，上下表层柔性膜为甲基丙烯酸酯、丙烯腈、氯乙烯、氯丙烯或氧化乙烯在有机溶剂中形成的凝胶保护层，或者为聚乙烯醇、羧甲基纤维素或改性淀粉，在水中形成的凝胶保护层。
2.如权利要求1所述的高介电性电池隔膜，其特征在于：所述的内层高介电常数物质为钛酸钡，钛酸锶,钛酸锶钡，钛酸铜钙，铌铁酸铅,铌镁酸铅-钛酸铅或酞菁酮中的一种或多种混合物。
3.如权利要求1所述的高介电性电池隔膜，其特征在于：所述的有机溶剂为苯、甲苯、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲乙基甲酰胺、甲乙基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯、r-丁内酯或碳酸甲乙酯。
4.如权利要求1所述的高介电性电池隔膜，其特征在于：所述的上下表层所使用的材质相同或不同。
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