CN103579559A - 一种电化学电源的隔膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学电源技术领域，并公开了一种电化学电源的隔膜及其制备方法。该电化学电源的隔膜包括由聚烯烃形成的隔膜基体，在隔膜基体表面涂覆有含无机粉体的阻燃层；其中该无机粉体是勃姆石和/或氢氧化铝。其制备方法包括：制备含上述无机粉体的涂覆用悬浮液，随后将其均匀涂覆于由聚烯烃形成的隔膜基体两侧，烘干处理后在隔膜基体表面形成含无机粉体的阻燃层，制得所述电化学电源的隔膜。本发明中，隔膜基体表面涂覆的具阻燃效果的无机粉体既可提高隔膜的耐热温度，又可获得阻燃效果，为电化学电源提供双重安全保障。本发明的电化学电源的隔膜制备工艺简单且易于实现、涂覆原料成本低且易于获得，便于在电源制造领域的推广实施。
Description
技术领域
本发明属于电化学电源技术领域，并涉及一种高安全性能的电化学电源的隔膜及其制备方法。
背景技术
随着人类生产力的发展，越来越多的汽车行驶在城市、乡村的大街小巷中。汽车的普及给人们的生活带来了极大的便利，但伴随而来的问题也越来越严重。石油等不可再生能源的消耗不断加速、汽车尾气的排放等给环境造成的影响均不断扩大。目前，人们为了解决这些问题提出发展电动汽车来取代传统汽车。这一设想能否实施的关键在于是否有能量密度、功率密度足够大，循环寿命足够长、安全可靠的动力电池取代内燃机。其中，动力电池的安全性是重中之重。
对于电化学电源(例如锂离子电池和超级电容器)而言，典型的安全隐患就是因为过充、过放或短路导致电源内部的温度急剧升高从而造成燃烧或者***。目前电化学电源普遍采用的隔膜为多孔聚烯烃膜。由于其是聚合物，导热性很差，因而不具备快速散热性能。同时，这种聚烯烃膜的耐热温度较低，当达到耐热温度时，这种隔膜会发生收缩甚至破裂。一旦隔膜破裂，电化学电源的正负极之间就会发生短路，从而导致电源发生燃烧甚至***。另一方面，由于现有的电化学电源的内部材料不具备阻燃性能，即使隔膜未受破坏，过充或过放仍可能导致发生燃烧或者***，整体安全性能低。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中电化学电源的隔膜的耐热温度较低及电池内部材料不具备阻燃性能而导致电化学电源安全性能低的缺陷，提供一种耐热温度提高、具有阻燃效果且因此显著增强电化学电源安全性能的电化学电源的隔膜及其制备方法。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案得以实现：提供一种电化学电源的隔膜，包括由聚烯烃形成的隔膜基体，其中，所述隔膜基体表面涂覆有含无机粉体的阻燃层；所述无机粉体是勃姆石和氢氧化铝的至少一种。
在上述电化学电源的隔膜中，所述无机粉体的粒径大小为3-1000nm。
在上述电化学电源的隔膜中，所述阻燃层的厚度为5-10μm。
在上述电化学电源的隔膜中，所述由聚烯烃形成的隔膜基体是聚乙烯隔膜基体、聚丙烯隔膜基体、聚乙烯-聚丙烯双层隔膜基体或聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三层隔膜基体。
根据本发明的另一方面，提供一种电化学电源的隔膜的制备方法，其中，所述方法包括以下步骤：
S1、向含有机黏结剂的有机溶液中添加具有阻燃作用的无机粉体，搅拌均匀后制得涂覆用悬浮液；
S2、将步骤S1中制得的涂覆用悬浮液均匀涂覆于由聚烯烃形成的隔膜基体两侧；以及
S3、对步骤S2中经涂覆过的所述隔膜基体进行烘干处理，在所述隔膜基体表面形成含所述无机粉体的阻燃层，制得所述电化学电源的隔膜。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、将所述有机黏结剂溶解于有机溶剂中，搅拌均匀制得所述有机溶液；以及
S12、向所述步骤S11制得的有机溶液中添加所述无机粉体，搅拌均匀后制得涂覆用悬浮液。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，所述有机黏结剂为以下化学物质的至少一种：聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡胶(改性SBR)、氟化橡胶和聚氨酯；所述有机溶剂为以下化学物质的至少一种：二氯甲烷、丙酮、氯仿、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮和环己烷。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，所述有机黏结剂与所述有机溶剂的质量比为1∶50-1∶10。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，所述无机粉体是勃姆石和氢氧化铝的至少一种，所述无机粉体的粒径大小为3-1000nm。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，所述无机粉体与所述涂覆用悬浮液的质量比为1∶20-3∶5。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，所述由聚烯烃形成的隔膜基体是聚乙烯隔膜基体、聚丙烯隔膜基体、聚乙烯-聚丙烯双层隔膜基体或聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三层隔膜基体。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，在所述步骤S2中，所述涂覆的方式为以下方式的一种或多种：浸渍涂覆、刮刀涂覆、刮棒涂覆和喷涂。
在上述电化学电源的隔膜的制备方法中，在所述步骤S3中，所述烘干处理指在40～130℃的温度下，将经涂覆过的所述隔膜基体置于由氢气、氮气和惰性气体的一种或多种组成的干燥气体中、或者将经涂覆过的所述隔膜基体置于干燥空气或真空中进行烘干
实施本发明可以获得以下有益效果：本发明中，隔膜基体表面涂覆有具阻燃效果的无机粉体，其可改善最终制得的隔膜的骨架结构，降低其高温下的收缩性从而提高隔膜的耐热温度，并因此提高本发明的电化学电源的隔膜对抗电源内部高温的能力；所采用的无机粉体具有阻燃效果，因此可赋予电源内部材料一定阻燃特性，为电化学电源提供双重安全保障。本发明所提供的具有阻燃层的电化学电源的隔膜可采用传统涂覆工艺制备，工艺简单且易于实现；所采用的涂覆原料成本低且易于获得，便于在电源制造领域的推广实施；具有上述隔膜的电化学电源安全性能高，应用前景广泛。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种新型结构的电化学电源的隔膜。这种电化学电源的隔膜由于涂覆了具有阻燃效果的勃姆石和/或氢氧化铝，使得其耐热温度提高(优选提高20-30℃)，并同时使具有该隔膜的电化学电源获得阻燃效果，从而为电化学电源提供双重安全保障。另一方面，由于本发明的隔膜为隔膜基体+阻燃层的结构，可保证所需的隔膜强度，这与其在电化学电源领域的具体应用相匹配。
本发明所涉及的电化学电源包括但不限于锂离子电池和超级电容器。换言之，本发明所述的电化学电源的隔膜可应用于锂离子电池和超级电容器。
以下结合具体实施例对本发明的电化学电源的隔膜作进一步详细解释。
实施例1：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚乙烯形成的隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚四氟乙烯和粒径大小为500nm的氢氧化铝粉体组成，该阻燃层的厚度为7μm。该电化学电源的隔膜的制备过程如下：
准确称取100g的丙酮置于容器中，向丙酮中加入10g的聚四氟乙烯，搅拌直至形成均匀的聚四氟乙烯丙酮溶液；向上述聚四氟乙烯丙酮溶液中加入10g粒径大小为500nm的氢氧化铝粉体，搅拌均匀后得到涂覆用悬浮液；将由聚乙烯形成的隔膜基体浸入到上述涂覆用悬浮液中，静置30分钟后匀速提起；将涂覆有悬浮液的聚乙烯隔膜基体置于100℃的流动干燥氮气中烘干12小时，制得所述电化学电源的隔膜。
实施例2：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚乙烯形成的隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚四氟乙烯和粒径大小为500nm的勃姆石粉体组成，该阻燃层的厚度为7μm。该电化学电源的隔膜的制备过程如下：
准确称取100g的丙酮置于容器中，向丙酮中加入10g的聚四氟乙烯，搅拌直至形成均匀的聚四氟乙烯丙酮溶液；向上述聚四氟乙烯丙酮溶液中加入10g粒径大小为500nm的勃姆石粉体，搅拌均匀后得到涂覆用悬浮液；将由聚乙烯形成的隔膜基体浸入到上述涂覆用悬浮液中，静置30分钟后匀速提起；将涂覆有悬浮液的聚乙烯隔膜基体置于80℃的流动干燥氮气中烘干12小时，制得所述电化学电源的隔膜。
实施例3：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚丙烯形成的隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚乙烯醇以及粒径大小均为500nm的勃姆石粉体和氢氧化铝粉体组成，该阻燃层的厚度为8μm。该电化学电源的隔膜的制备过程如下：
准确称取50g氯仿和50g丙酮置于容器中，向氯仿和丙酮的混合溶液中加入2g的聚乙烯醇，搅拌直至形成均匀的聚乙烯醇溶液；向上述聚乙烯醇溶液中加入5g粒径大小为500nm的勃姆石粉体和5g粒径大小为500nm的氢氧化铝粉体，搅拌均匀后得到涂覆用悬浮液；在由聚丙烯形成的隔膜基体表面采用刮刀均匀涂覆上述涂覆用悬浮液中，涂覆完成后静置10分钟；将涂覆有悬浮液的聚丙烯隔膜基体置于40℃的流动干燥氦气中干燥12小时，制得所述电化学电源的隔膜。
实施例4：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚乙烯和聚丙烯依次形成的双层隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚偏氟乙烯和氟化橡胶以及粒径大小为3nm的氢氧化铝粉体组成，该阻燃层的厚度为5μm。该电化学电源的隔膜的制备过程如下：
准确称取90g二甲基甲酰胺置于容器中，向二甲基甲酰胺中加入2.5g聚偏氟乙烯和2.5g氟化橡胶，搅拌直至形成均匀的聚偏氟乙烯和氟化橡胶的混合溶液；向上述混合溶液中加入5g粒径大小为3nm的氢氧化铝粉体，搅拌均匀后得到涂覆用悬浮液；在由聚乙烯和聚丙烯依次形成的双层隔膜基体表面采用刮棒均匀涂覆上述涂覆用悬浮液中，涂覆完成后静置10分钟；将涂覆有悬浮液的聚乙烯-聚丙烯双层隔膜基体置于60℃的干燥空气中烘干12小时，制得所述电化学电源的隔膜。
实施例5：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚乙烯形成的隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由改性丁苯橡胶和粒径大小为1000nm的氢氧化铝粉体组成，该阻燃层的厚度为10μm。该电化学电源的隔膜的制备过程如下：
准确称取20g环己烷和18g N-甲基吡咯烷酮置于容器中，向环己烷和N-甲基吡咯烷酮的混合溶液中加入2g改性丁苯橡胶，搅拌直至形成均匀的改性丁苯橡胶溶液；向上述改性丁苯橡胶溶液中加入60g粒径大小为1000nm的氢氧化铝粉体，搅拌均匀后得到涂覆用悬浮液；将由聚乙烯形成的隔膜基体浸入到上述涂覆用悬浮液中，静置30分钟后匀速提起，随后在涂覆有悬浮液的隔膜基体表面采用刮刀使涂覆的悬浮液进一步均匀化；接下来将涂覆有悬浮液的聚乙烯隔膜基体置于130℃的氢气和氦气的混合干燥气体中烘干12小时，制得所述电化学电源的隔膜。
实施例6：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯依次形成的三层隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚氨酯和粒径大小为500nm的勃姆石粉体组成，该阻燃层的厚度为7μm。该电化学电源的隔膜的制备过程如下：
准确称取50g二氯甲烷和50g四氢呋喃置于容器中，向二氯甲烷和四氢呋喃的混合溶液中加入10g的聚氨酯，搅拌直至形成均匀的聚氨酯溶液；向上述聚氨酯溶液中加入10g粒径大小为500nm的勃姆石粉体，搅拌均匀后得到涂覆用悬浮液；向由聚乙烯、聚丙烯和聚乙烯依次形成的三层隔膜基体表面均匀喷涂上述涂覆用悬浮液中，喷涂完成后静置10分钟；随后将涂覆有悬浮液的聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三层隔膜基体置于80℃的真空环境中烘干12小时，制得所述电化学电源的隔膜。
实施例7：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚乙烯形成的隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚乙烯醇和粒径大小为500nm的氢氧化铝粉体组成，该阻燃层的厚度为7μm。该电化学电源的隔膜的制备过程所采用的有机溶剂为环己烷，其他制备过程同实施例1。
实施例8：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚丙烯形成的隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚乙烯醇以及粒径大小均为500nm的勃姆石粉体和氢氧化铝粉体组成，该阻燃层的厚度为8μm。该电化学电源的隔膜的制备过程所采用的有机溶剂为丙酮和二氯甲烷，其他制备过程同实施例3。
实施例9：
一种电化学电源的隔膜，包括由聚乙烯形成的隔膜基体以及涂覆在该隔膜基体表面的阻燃层，其中该阻燃层由聚乙烯醇和粒径大小为500nm的氢氧化铝粉体组成，该阻燃层的厚度为7μm。该电化学电源的隔膜的制备过程所采用的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，其他制备过程同实施例1。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1. 一种电化学电源的隔膜，包括由聚烯烃形成的隔膜基体，其特征在于，所述隔膜基体表面涂覆有含无机粉体的阻燃层；所述无机粉体是勃姆石和氢氧化铝的至少一种。
2. 根据权利要求1所述的电化学电源的隔膜，其特征在于，所述无机粉体的粒径大小为3~1000nm。
3. 根据权利要求1所述的电化学电源的隔膜，其特征在于，所述阻燃层的厚度为5~10μm。
4. 根据权利要求1至3中任一权利要求所述的电化学电源的隔膜，其特征在于，所述由聚烯烃形成的隔膜基体是聚乙烯隔膜基体、聚丙烯隔膜基体、聚乙烯-聚丙烯双层隔膜基体或聚乙烯-聚丙烯-聚乙烯三层隔膜基体。
5. 一种电化学电源的隔膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、向含有机黏结剂的有机溶液中添加具有阻燃作用的无机粉体，搅拌均匀后制得涂覆用悬浮液；
S2、将步骤S1中制得的涂覆用悬浮液均匀涂覆于由聚烯烃形成的隔膜基体两侧；以及
S3、对步骤S2中经涂覆过的所述隔膜基体进行烘干处理，在所述隔膜基体表面形成含所述无机粉体的阻燃层，制得所述电化学电源的隔膜。
6. 根据权利要求5所述的电化学电源的隔膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：
S11、将所述有机黏结剂溶解于有机溶剂中，搅拌均匀制得所述有机溶液；以及
S12、向所述步骤S11制得的有机溶液中添加所述无机粉体，搅拌均匀后制得所述涂覆用悬浮液。
7. 根据权利要求6所述的电化学电源的隔膜的制备方法，其特征在于，所述有机黏结剂为以下化学物质的至少一种：聚乙烯醇、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、改性丁苯橡胶、氟化橡胶和聚氨酯；所述有机溶剂为以下化学物质的至少一种：二氯甲烷、丙酮、氯仿、二甲基甲酰胺、四氢呋喃、N-甲基吡咯烷酮和环己烷。
8. 根据权利要求5或6所述的电化学电源的隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机粉体是勃姆石和氢氧化铝的至少一种，所述无机粉体的粒径大小为3~1000nm。
9. 根据权利要求5或6所述的电化学电源的隔膜的制备方法，其特征在于，所述无机粉体与所述涂覆用悬浮液的质量比为1:20~3:5。
10. 根据权利要求5或6所述的电化学电源的隔膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述烘干处理指在40~130℃的温度下，将经涂覆过的所述隔膜基体置于由氢气、氮气和惰性气体的一种或多种组成的干燥气体中、或者将经涂覆过的所述隔膜基体置于干燥空气或真空中进行烘干。
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