CN104538573B - 一种锂离子电池用隔膜及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池用隔膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种锂离子电池用隔膜及其制备方法，其中，包括步骤：a、将无机填料、粘结剂和溶剂进行混合，使用机械搅拌的方式制备成均匀的浆料；b、将浆料均匀的涂覆在隔膜上，然后放置于50℃~80℃的烘箱里烘干2h~24h，便可得到锂离子电池用的无机物涂层隔膜。本发明利用石墨、LANO基石墨烯或石墨烯包覆无机物作为涂层隔膜的无机填料，这些无机填料不仅具有粒径小、分布均匀等特点，而且易于成膜，附着性能优良。此外，这些无机填料能够良好的与锂离子电池电解液相浸润，不但能大幅度降低锂离子电池的内阻，并且使得电池的容量和循环性能稳定，从而提高电池的整体性能。

Description

一种锂离子电池用隔膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种锂离子电池用隔膜及其制备方法。
背景技术
锂离子电池由正负电极、电解液、隔膜和电池外壳等材料组成，其中，隔膜是锂离子电池中不可缺少的重要组成部分。隔膜的主要功能是将电池中的正负极片进行隔离，防止极片直接接触发生短路；隔膜在吸收电解液后，因隔膜内部存在曲折贯通的微孔通道，使得电池中的锂离子可以在微孔中自由通过。在过度充电或者温度升高时，隔膜通过闭孔来阻隔电流传导，防止电池短路和***。隔膜性能的优劣决定了电池的界面结构和内阻，进而影响电池的容量循环性能、充放电电流密度等关键特性。因此性能优异的隔膜对提高锂离子电池的综合性能有着重要作用。
隔膜是由聚烯烃材料组成的高分子多孔薄膜，其种类包括聚丙烯微孔薄膜PP、聚乙烯微孔薄膜PE、聚丙烯聚乙烯（PP/PE）复合薄膜等。由于材料性能的限制，隔膜在温度超过130℃时会发生尺寸收缩、软化甚至融化现象，这会导致电池内短路进而引发安全问题。因此，在动力电池中，出于安全性能考虑，一般使用热尺寸稳定性和热熔化温度高的复合材料隔膜，这些复合材料隔膜包括：陶瓷涂层隔膜、无纺布型隔膜。虽然改性的复合材料隔膜能提高锂离子电池的安全性，但锂离子电池的内阻依旧不能得以改善。
目前，国内外研究人员通过采用各种耐高温的无机材料涂覆在有机隔膜表面来增强电池隔膜的热稳定性及润湿性能，或者采用无纺布型隔膜（如玻璃纤维无纺布、陶瓷纤维无纺布等）和有机/无机复合隔膜，但是这两种隔膜成膜工艺都非常复杂，目前还不成熟，且关键技术仍被国外垄断，价格昂贵。隔膜成为制约我国锂离子电池（尤其是动力电池）发展的瓶颈。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池用隔膜的制备方法，旨在解决现有现有隔膜使锂离子电池内阻偏大和容量保持率不高等问题。
本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，包括步骤：
a、将无机填料、粘结剂和溶剂进行混合，使用机械搅拌的方式制备成均匀的浆料；其中，无机填料、粘结剂和溶剂的混合质量比为：8~10:0.5~2:1~3；所述无机填料包括：石墨、液态丙烯腈低聚物（Liquid Acrylonitrile Oligomer，以下简称LANO）基石墨烯或石墨烯包覆无机物；
b、将浆料均匀的涂覆在隔膜上，然后放置于50℃~80℃的烘箱里烘干2h~24h，得到锂离子电池用的无机物涂层隔膜。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述石墨为鳞片石墨、球状石墨、人工合成石墨、膨胀石墨、碳纤维或无定形碳和石墨一种或几种的混合物。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述LANO基石墨烯为单层或多层石墨烯。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述石墨烯包覆无机物，其中的无机物包括金属、金属氧化物或金属盐化合物，或者非金属、非金属氧化物或非金属盐化合物。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述的粘结剂包括聚偏氟乙烯（PVDF）、羧甲基纤维素钠盐（CMC）、褐藻酸钠（SA）和苯乙烯−丁二烯橡胶（SBR）其中的一种及其二种以上的混合物等。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮（NMP）和去离子水（H2O）等。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述石墨烯包覆无机物，其石墨烯包覆层为氧化还原石墨烯、CVD法石墨烯、LANO基石墨烯、SiC热分解石墨烯或机械剥离石墨烯。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述步骤b中的隔膜包括：聚乙烯膜、聚丙烯膜、PP/PE/PP复合膜、聚酰亚胺膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、纤维无纺布隔膜、聚丙烯腈膜、固态电解质膜或Nafion膜，或者由聚乙烯膜、聚丙烯膜、PP/PE/PP复合膜、聚酰亚胺膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、纤维无纺布隔膜、聚丙烯腈膜、固态电解质膜和Nafion膜中的一种膜的改性膜构成。
所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其中，所述步骤b中的隔膜，其厚度在100nm~100µm之间，孔隙率为10%~95%，孔径为1nm~1µm。
一种锂离子电池用隔膜，其中，采用如上所述的制备方法制成。
有益效果：本发明利用石墨、LANO基石墨烯、石墨烯包覆无机物作为涂层隔膜的无机填料，这些无机填料不仅具有粒径小、分布均匀等特点，而且易于成膜，附着性能优良。此外，这些无机填料能够良好的与锂离子电池电解液相浸润，不但能大幅度降低锂离子电池的内阻，并且使得电池的容量和循环性能稳定，从而提高电池的整体性能。
附图说明
图1为本发明实施例1的产品表面形貌。
图2为本发明实施例2的产品表面形貌。
图3为本发明实施例3的产品表面形貌。
图4为本发明各实施例的阻抗性能示意图。
具体实施方式
本发明提供一种锂离子电池用隔膜及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。
本发明所提供的一种锂离子电池用隔膜的制备方法，其包括步骤：
a、将无机填料、粘结剂和溶剂进行混合，使用机械搅拌的方式将混合物制备成均匀的浆料；其中，无机填料、粘结剂和溶剂的混合质量比为：8~10:0.5~2:1~3；所述无机填料包括：石墨、LANO基石墨烯或石墨烯包覆无机物；
b、将浆料均匀的涂覆在隔膜上，然后放置于50℃~80℃的烘箱里烘干2h~24h，得到锂离子电池用的无机物涂层隔膜。
本发明使用石墨、LANO基石墨烯或者石墨烯包覆无机物作为无机填料，制备得到的多功能复合材料隔膜（无机物涂层隔膜）主要应用于化学电源上，可有效解决现有隔膜例如无机涂层隔膜（如Al2O3陶瓷涂层隔膜）使得锂离子电池内阻偏大和容量保持率不高等问题。采用本发明方法制备的涂层隔膜，可大幅降低锂离子电池的内阻，提高电池容量保持率，并且使得电池的倍率性能和循环性能稳定。故本发明的制备方法可显著提升锂离子电池的整体性能。
具体来说，本发明采用石墨、LANO基石墨烯或石墨烯包覆无机物作为无机填料，这些无机物粉体不仅具有粒径小、分布均匀等特点，而且易于成膜，附着性能优良。此外，这些无机物粉体能够良好的与锂离子电池电解液相浸润，不但能大幅度降低锂离子电池的内阻，并且使得电池的容量和循环性能稳定，从而提高电池的整体性能。
所述的石墨，其粒径为100nm~10µm；石墨的种类除了高纯石墨外，还可以包括低纯石墨，或者鳞片石墨、球状石墨、人工合成石墨、膨胀石墨、碳纤维或无定形碳的一种或几种混合物。进一步地，除了石墨可以作为隔膜涂层的填料以外，碳的同素异形体也可以作为涂层隔膜的无机填料，如：碳纳米管、炭黑、乙炔黑、富勒烯、单层或多层石墨烯和石墨烯片。
所述的LANO基石墨烯，其为单层或多层石墨烯（层数为1~10），粒径为100nm为最佳。
所述的石墨烯包覆无机物，其中无机物包括金属和金属氧化物及其盐化合物（举一例如：Al、Al2O3、Al（NO3）3）、非金属和其氧化物及其盐化合物（举一例如：Si、SiO2、Na2SiO3），平均粒径为500nm为最佳。总结来说，所述无机物包括金属和非金属材料，所述金属材料为锡、铜、银、铝、铬、铁、钛、锰、镍、钴金属的金属本身、金属氧化物、金属氮化物、金属硼化物、金属氟化物、金属溴化物、金属硫化物或者金属有机化合物中的一种或者多种；所述非金属材料为硅、磷、硼、氮、碳、硫、硫单质及其化合物中的一种或者多种。其中石墨烯包覆层是由单层石墨烯或多层石墨烯中的一种或两种构成，石墨烯包覆层厚度在0.335nm~20nm之间；所述的石墨烯包覆无机物，其石墨烯包覆层可以是氧化还原石墨烯、CVD法石墨烯、LANO基石墨烯、SiC热分解石墨烯、机械剥离石墨烯；
所述的石墨烯包覆无机物，其来源可包括：热还原法、水热法、CVD化学沉积法、热分解法、***法、电化学沉积法或物理混合法中任意一种方法而得到的石墨烯包覆无机物。
所述的粘结剂包括PVDF、CMC、SA和SBR其中的一种及多种的混合物。
所述的溶剂包括NMP或H2O等。
在步骤b中，所述的涂覆方法包括浸润法和机械涂布法。
涂覆时，所用的隔膜包括：聚乙烯膜（PE）、聚丙烯膜（PP）、PP/PE/PP复合膜、聚酰亚胺膜（PI）、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、纤维无纺布隔膜、聚丙烯腈膜、固态电解质膜和Nafion膜等，或者由聚乙烯膜（PE）、聚丙烯膜（PP）、PP/PE/PP复合膜、聚酰亚胺膜（PI）、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、纤维无纺布隔膜、聚丙烯腈膜、固态电解质膜和Nafion膜中的一种膜的改性膜构成。
进一步地，所述的隔膜，其厚度在100nm~100µm之间，孔隙率为10%~95%，孔径为1nm~1µm。
优选地，所述的隔膜的平均厚度10µm、平均孔隙率85%、平均孔径500nm为最佳。
本发明所制备的无机涂层隔膜可为单侧无机涂层隔膜和双侧无机涂层隔膜；其中单侧无机涂层隔膜：其涂层厚度为100nm~50µm、涂层孔隙率为30%~80%、涂层孔径为1nm~1µm；双侧无机涂层隔膜：涂层厚度为100nm~50µm、涂层孔隙率为30%~80%、涂层孔径为1nm~1µm。
本发明所制备的无机涂层隔膜，可应用于锂离子电池、锂离子动力电池、钠离子电池、锂硫电池、钠硫电池、燃料电池、超级电容器或锂空气电池。同时，不仅可用作锂离子电池的隔膜，还可以用作化学电源正负极的集流体，所述石墨、LANO基石墨烯或石墨烯包覆无机物导电层为集流体，隔膜层作为化学电源的隔膜。
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
取0.45g石墨产品（高纯），研磨粉细后，加入0.05g PVDF作为粘结剂，再加入0.1gNMP作为溶剂，均匀搅拌后得到石墨涂料；裁取一段PE（0.1m）隔膜，将涂料均匀涂覆于隔膜之上，置于50℃真空烘箱烘干24h，得到石墨涂层隔膜，石墨涂层隔膜表面形貌如图1所示。
实施例2
取0.45g LANO基石墨烯产品，研磨粉细后，加入0.05g PVDF作为粘结剂，再加入0.1g NMP作为溶剂，均匀搅拌后得到LPAN基石墨烯涂料；裁取一段PE（0.1m）隔膜，将涂料均匀涂覆于隔膜之上，置于80℃真空烘箱烘干2h，得到LANO基石墨烯涂层隔膜，LANO基石墨烯涂层隔膜表面形貌如图2所示。
实施例3
取0.45g石墨烯包覆包覆无机物产品（本实例采用的是石墨烯包覆氧化铝粉），研磨粉细后，加入0.05g PVDF作为粘结剂，再加入0.1g NMP作为溶剂，均匀搅拌后得到石墨烯包覆氧化铝涂料；裁取一段PE（0.1m）隔膜，将涂料均匀涂覆于隔膜之上，置于60℃真空烘箱烘干12h，得到石墨烯包覆氧化铝陶瓷涂层隔膜，石墨烯包覆氧化铝涂层隔膜表面形貌如图3所示。
需要注意的是：根据实际所需，实例1、2和3的隔膜既可制备成双侧隔膜又可以制备成单侧隔膜。
实施例4
将得到的石墨、LANO基石墨烯、石墨烯包覆氧化铝陶瓷涂层隔膜冲片，作为纽扣电池的隔膜，以磷酸铁锂材料为正极，于手套箱中装配成纽扣电池，测试其阻抗和电池容量和循环等性能，其阻抗性能如图4所示。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，包括步骤：
a、将无机填料、粘结剂和溶剂进行混合，使用机械搅拌的方式制备成均匀的浆料；其中，无机填料、粘结剂和溶剂的混合质量比为：8~10:0.5~2:1~3；所述无机填料包括：石墨、LANO基石墨烯或石墨烯包覆无机物；
b、将浆料均匀的涂覆在隔膜上，然后放置于50℃~80℃的烘箱里烘干2h~24h，得到锂离子电池用的无机物涂层隔膜；所述的隔膜的平均厚度10µm、平均孔隙率85%、平均孔径500nm；
所述石墨烯包覆无机物，其石墨烯包覆层为氧化还原石墨烯、CVD法石墨烯、LANO基石墨烯、SiC热分解石墨烯或机械剥离石墨烯；其中石墨烯包覆层是由单层石墨烯或多层石墨烯中的一种或两种构成，石墨烯包覆层厚度在0.335nm~20nm之间；
无机涂层隔膜为单侧无机涂层隔膜和双侧无机涂层隔膜；其中单侧无机涂层隔膜：其涂层厚度为100nm~50µm、涂层孔隙率为30%~80%、涂层孔径为1nm~1µm；双侧无机涂层隔膜：涂层厚度为100nm~50µm、涂层孔隙率为30%~80%、涂层孔径为1nm~1µm。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，
所述石墨为鳞片石墨、球状石墨、人工合成石墨、膨胀石墨、碳纤维或无定形碳和石墨一种或几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，所述LANO基石墨烯为单层或多层石墨烯。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，所述石墨烯包覆无机物，其中的无机物包括金属、金属氧化物或金属盐化合物，或者非金属、非金属氧化物或非金属盐化合物。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，所述粘结剂包括PVDF、CMC、SA和SBR其中的一种及多种的混合物。
6.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，所述溶剂为NMP或H2O。
7.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，所述步骤b中的隔膜包括：聚乙烯膜、聚丙烯膜、PP/PE/PP复合膜、聚酰亚胺膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、纤维无纺布隔膜、聚丙烯腈膜、固态电解质膜或Nafion膜，或者由聚乙烯膜、聚丙烯膜、PP/PE/PP复合膜、聚酰亚胺膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、纤维无纺布隔膜、聚丙烯腈膜、固态电解质膜和Nafion膜中的一种膜的改性膜构成。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜的制备方法，其特征在于，所述步骤b中的隔膜，其厚度在100nm~100µm之间，孔隙率为10%~95%，孔径为1nm~1µm。
9.一种锂离子电池用隔膜，其特征在于，采用如权利要求1至8任一项所述的制备方法制成。
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