CN109585749A - 锂离子电池隔膜及具有其的锂离子电池 - Google Patents

锂离子电池隔膜及具有其的锂离子电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池隔膜,包括层叠设置的多孔基材层和吸氧层,吸氧层包括氧气吸收材料。本发明还涉及一种锂离子电池,包括正极、负极、设置在正极与负极之间的锂离子电池隔膜以及电解液,锂离子电池隔膜包括如上的锂离子电池隔膜,吸氧层靠近正极。

Description

锂离子电池隔膜及具有其的锂离子电池
技术领域
本发明涉及电池技术领域,特别是涉及锂离子电池隔膜及具有其的锂离子电池。
背景技术
隔膜是锂离子电池的重要组成部分之一。目前商用比较广泛的隔膜是单层聚乙烯隔膜(PE)、聚丙烯隔膜(PP)、PP/PE/PP三层复合隔离膜和具有陶瓷涂覆的PP/PE隔膜。隔膜的主要作用是有效的隔离正负极极片、阻止正负极之间的电子传导,同时保证锂离子能够有效、快速的通过。合适的孔隙率是隔膜实现上述功能的关键,孔隙率太小不利于电解液中锂离子的穿梭,导致电池内阻过大和循环寿命降低;而孔隙率太大又不能有效阻断电子传输,引起自放电或内短路。除此之外,隔膜是保障锂离子电池安全的重要组成部分,人们普遍认为高温下隔膜崩溃(PE,PP隔膜的崩溃温度分别是150℃和170℃左右)造成内短路是锂电池热失控的主要原因。
电池的安全性对充分发挥其高比能具有重要的作用。但是,隔膜要有效保障锂电池的安全、防止锂电池热失控,仅仅靠防止内短路是不够的,特别是对于高比能锂离子电池。从2016年下旬发布的《节能与新能源汽车技术路线图》来看,到2020年我国动力电池单体的发展目标是电池比能量达到300Wh/kg,寿命达到4000次或10年。可预见,高比能量的锂离子电池的研发必将获得强大的推进力。
因此,亟需提高锂离子动力电池的安全性。
发明内容
基于此,有必要针对现有的锂离子电池的安全性能不够好的问题,提供一种锂离子电池隔膜及具有其的锂离子电池。
一种锂离子电池隔膜,包括层叠设置的多孔基材层和吸氧层,所述吸氧层包括氧气吸收材料。
在其中一个实施例中,所述吸氧层的厚度为0.2-2μm。
在其中一个实施例中,所述氧气吸收材料的粒径为10-5000nm。
在其中一个实施例中,所述氧气吸收材料包括抗氧剂及气体吸附剂中的至少一种。
在其中一个实施例中,所述氧气吸收材料包括抗氧剂及气体吸附剂,所述气体吸附剂占所述氧气吸收材料的质量百分比为40-80%。
在其中一个实施例中,所述氧气吸收材料中,所述气体吸附剂的含量大于所述抗氧剂的含量。
在其中一个实施例中,所述气体吸附剂包括活性炭。
在其中一个实施例中,所述抗氧剂包括对苯二胺、4-氨基苯基胺、N,N’-二甲基-1,4苯二胺、N,N’-二苯基-对苯二胺、N-异丙基-N’-苯基-对苯二胺、N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基-对苯二胺、N,N’-二-2-萘基-对苯二胺、二苯胺、N-苯基-β-萘胺以及4,4’-二辛基二苯胺中的至少一种。
在其中一个实施例中,还包括层叠设置的多孔陶瓷层,所述多孔陶瓷层涂覆在所述多孔基材层的表面,所述吸氧层涂覆在所述多孔基材层或所述多孔陶瓷层的表面。
在其中一个实施例中,所述多孔陶瓷层设置为一层,涂覆在所述多孔基材层的一个表面,所述吸氧层涂覆在所述多孔基材层的另一个表面。
在其中一个实施例中,所述多孔陶瓷层设置为两层,分别涂覆在所述多孔基材层的两个表面,所述吸氧层设置为一层,涂覆在任意一层所述多孔陶瓷层的表面。
在其中一个实施例中,所述多孔陶瓷层设置为两层,分别涂覆在所述多孔基材层的两个表面,所述吸氧层设置为两层,分别涂覆在两层所述多孔陶瓷层的表面。
在其中一个实施例中,所述多孔陶瓷层的材料粒径为10-5000nm,厚度为5-20μm。
一种锂离子电池,包括正极、负极、设置在所述正极与所述负极之间的锂离子电池隔膜以及电解液,所述锂离子电池隔膜包括如上所述的锂离子电池隔膜,所述吸氧层靠近所述正极。
在其中一个实施例中,所述正极的材料为钴酸锂、镍钴锰或镍钴铝三元正极材料,分子式分别为LiCoO2、Li(NixMnyCoz)O2和Li(NixMnyAlz)O2,0.50≤x<1.00,0<y≤0.30,0<z≤0.20。
本发明通过在多孔基材层表面层叠吸氧层,构成多层结构的隔膜。使隔膜具有吸收氧气的能力,能够有效降低电池内氧气的含量,极大地降低氧气穿透隔膜在有限空间内与强还原性的负极发生反应的机率,从而有效避免因氧气发生反应放热所引起的电池热失控,极大地提高了电池的安全性。
附图说明
图1为本发明第一实施例的锂离子电池隔膜的结构示意图;
图2为本发明第二实施例的锂离子电池隔膜的结构示意图;
图3为本发明第三实施例的锂离子电池隔膜的结构示意图;
图4为本发明第四实施例的锂离子电池隔膜的结构示意图。
其中,
多孔基材层100;
吸氧层200;
多孔陶瓷层300。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚明白,以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请参阅图1,本发明实施例提供一种锂离子电池隔膜,包括层叠设置的多孔基材层100和吸氧层200,吸氧层200包括氧气吸收材料。
本发明实施例通过设置吸氧层200,并将吸氧层200涂覆在多孔基材层100的表面,构成多层结构的隔膜。使隔膜具有吸收氧气的能力,能够有效降低电池内氧气的含量,极大地降低氧气穿透隔膜在有限空间内与强还原性的负极发生反应的机率,从而有效避免因氧气发生反应放热所引起的电池热失控,极大地提高了电池的安全性。
多孔基材层100可以选自锂离子电池常用的隔膜基材,如聚烯烃多孔膜、无纺布多孔膜或电纺丝膜。该聚烯烃多孔膜可以列举如聚丙烯多孔膜、聚乙烯多孔膜或聚丙烯多孔膜与聚乙烯多孔膜层叠形成的膜结构。该聚烯烃多孔膜可以采用市售的锂离子电池隔膜,如日本旭化成Asahi、东燃化学Tonen、宇部Ube、美国Celgard等公司生产的隔膜产品。该无纺布隔膜可以列举如聚酰亚胺纳米纤维无纺布、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纳米纤维无纺布、纤维素纳米纤维无纺布、芳纶纳米纤维无纺布、玻璃纤维无纺布、尼龙纳米纤维无纺布或聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维无纺布。该电纺丝膜可以列举如聚酰亚胺电纺丝膜、聚对苯二甲酸乙二酯电纺丝膜或聚偏氟乙烯电纺丝膜。多孔基材层100用于隔绝电子并使锂离子从多孔膜的微孔中通过。
多孔基材层100的厚度优选为2-20μm,孔隙率优选为20-80%,孔径优选为10-1500nm,孔密度优选为1×104-1×108cm2
吸氧层200的厚度优选为0.2-2μm,吸氧层200的材料的粒径优选为10-5000nm,以使吸氧层200具有更佳地吸收氧气的能力。
吸氧层200的氧气吸收材料可以包括抗氧剂及气体吸附剂中的至少一种。抗氧剂可以通过化学反应的方式除去氧气。气体吸附剂可以通过物理吸附的方式除去氧气。
优选地,吸氧层200的氧气吸收材料包括抗氧剂和气体吸附剂,可同时以物理吸附和化学反应的方式除去氧气,气体吸附剂还可以增大抗氧剂的反应面积,两者产生协同效应,从而使吸氧层200具有更佳地吸氧能力。气体吸附剂的含量优选为大于抗氧剂的含量。
优选地,气体吸附剂占氧气吸收材料的质量百分比为a,20%≤a<100%,以提高气体吸附剂和抗氧剂的配合效果,使吸氧层200更好地吸收氧气。更为优选地,40%≤a≤80%,以使气体吸附剂与抗氧剂的配合达到更佳的效果,使吸氧层200具有更佳地吸收氧能力。
气体吸附剂可以具有较大的比较面积,例如可包括活性炭、炭黑、乙炔黑、科琴黑和碳纳米管中的至少一种,优选为科琴黑(Ketjen Black)和碳纳米管的组合,以使气体吸附剂具有更佳地吸收氧气的能力。
抗氧剂的具体种类不限,可以为酚类抗氧剂、磷类抗氧剂、硫类抗氧剂以及胺类抗氧化剂等中的至少一种。
酚类抗氧化剂可以包括氢醌、叔丁基氢醌、对甲氧基苯酚、甲酚、叔丁基邻苯二酚、2,6-二叔丁基-对甲酚、1,1-二(2’-甲基-4’-羟基-5’-叔丁基苯基)丁烷、2,2’-亚甲基二(4-甲基-6-叔丁基酚)、2,6-二叔丁基-4-(N,N-二甲氨基甲基)酚、2,2’-亚甲基二(4-乙基-6-叔丁基酚)、4,4’-亚甲基二(2,6-二叔丁基酚)、2,2’-二羟基-3,3’-二(α-甲基环己基)-5,5’-二甲基二苯基甲烷、2,2’-亚乙基-二(4,6-二叔丁基酚)、4,4’-硫代双(3-甲基-6-叔丁基酚)、二(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)硫化物、4,4’-二硫代双(2,6-二叔丁基酚)、4,4’-三硫代双(2,6-二叔丁基酚)、2,4-二(正辛硫基)-6-(4-羟基-3’,5’-二叔丁基苯胺基)-1,3,5-三嗪、N,N’-二(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酰)肼、三(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)异氰尿酸酯、三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)异氰尿酸酯、1,3,5-三(4-叔丁基-3-羟基-2,6-二甲基苄基)异氰尿酸酯、三乙二醇N-二-3-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙酸酯、1,6-己二醇二(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)、季戊四醇四(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)、六亚甲基二(3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)、十八烷基3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯、N,N≡-六亚甲基二(3,5-二叔丁基-4-羟基-氢氨腈)、1,3,5-三甲基-2,4,6-三(3,5-二叔丁基-4-羟基苄基)苯、2,4-二((辛硫基)甲基)-邻甲酚、异辛基3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯、四(亚甲基-3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯)甲烷、以及辛基3,5-二叔丁基-4-羟基苯并丙酸酯。
磷类抗氧化剂可以包括亚磷酸三苯酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、2,2-亚乙基二(4,6-二叔丁基酚)氟亚磷酸酯、2,2’-亚乙基二(4,6-二叔丁基苯基)亚磷酸辛酯、亚磷酸二苯基异癸基酯、亚磷酸苯基二异癸基酯、三(壬基苯基)亚磷酸酯、二异癸基季戊四醇亚磷酸酯、三(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、环状新戊烷四基二(十八烷基)亚磷酸酯、环状新戊烷四基二(2,4-二叔丁基苯基)亚磷酸酯、环状新戊烷四基二(2,4-二叔丁基-4-甲基苯基)亚磷酸酯、三(2-叔丁基-4-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯硫基)-5-甲基苯基)亚磷酸酯、亚磷酸辛基二苯基酯、二(壬基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、二(2,4-二叔苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、二(2,6-二叔丁基-4-甲基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、二(2,4,6-三叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯、四(十三烷基)异亚丙基二苯酚二亚磷酸酯、四(十三烷基)4,4’-正亚丁基双(2-叔丁基-5-甲基苯酚)二亚磷酸酯、六(十三烷基)1,1,3-三(2-甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷三亚磷酸酯、四(2,4-二叔丁基苯基)联苯基双亚磷酸酯、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物以及2,2’-亚甲基二(4,6-叔丁基苯基)2-乙基己基亚磷酸酯。
硫类抗氧化剂可以包括二月桂基3,3-硫代二丙酸酯、二肉豆蔻基3,3’-硫代二丙酸酯、二硬脂酰基3,3’-硫代二丙酸酯、苯硫醚(二苯硫)、二苯二硫以及二丁基硫。
胺类抗氧化剂可以包括对苯二胺、4-氨基苯基胺、N,N’-二甲基-1,4苯二胺、N,N’-二苯基-对苯二胺、N-异丙基-N’-苯基-对苯二胺、N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基-对苯二胺、N,N’-二-2-萘基-对苯二胺、二苯胺、N-苯基-β-萘胺以及4,4’-二辛基二苯胺。
抗氧剂优选为上述胺类抗氧剂,更为优选地,抗氧剂为N,N′-二-2-萘基对苯二胺(DNP),可以使抗氧剂具有更佳地稳定性及安全性,以提高锂离子电池的安全性。
科琴黑和碳纳米管可以单独设置为气体吸附剂层,DNP可以单独设置为吸氧剂层,并层叠在前述的气体吸附剂层上,形成吸氧层。科琴黑和碳纳米管也可以与DNP均匀混合,形成吸氧层。
请参阅图2至4,锂离子电池隔膜还可以包括多孔陶瓷层300,多孔陶瓷层300涂覆在多孔基材层100的表面,可以涂覆在多孔基材层100的一个表面或者两个表面,吸氧层200涂覆在多孔基材层100或多孔陶瓷层300的表面。多孔陶瓷层300的设置,可以提高多孔基材层100的耐高温性,起到稳定多孔基材层100的作用,即使是多孔基材层100收缩崩溃后,多孔陶瓷层300也能有效保持隔膜形状,防止大规模内短路发生,进一步提高电池的安全性。
优选地,多孔陶瓷层300的厚度为5-20μm,多孔陶瓷层300的材料的粒径为1-5000nm。多孔陶瓷层300的材料包括无机陶瓷颗粒,无机陶瓷颗粒可以为Al2O3,SiO2,TiO2和ZrO2中的一种或多种,优选为Al2O3。多孔陶瓷层300的材料还可以包括粘结剂,粘结剂可以为聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚酰亚胺、聚环氧乙烷、乙酸纤维素和聚乙烯醇中的一种或多种,优选为聚偏氟乙烯。优选地,粘结剂占多孔陶瓷层300的质量百分数为0.1-5%。
多孔陶瓷层300可以设置为一层,涂覆在多孔基材层100的一个表面,吸氧层200设置为一层,涂覆在多孔基材层100的另一个表面。
优选地,多孔陶瓷层300设置为两层,分别涂覆在多孔基材层100的两个表面。吸氧层200可以设置为一层,涂覆在其中一层多孔陶瓷层300的表面;吸氧层200优选设置为两层,分别涂覆在两层多孔陶瓷层300的表面。
本发明实施例还提供一种锂离子电池隔膜的制造方法,包括以下步骤:
S100,提供多孔基材层100;
S200,提供氧化铝粉末与聚偏氟乙烯,混合并溶解于N-甲基吡络烷酮中,超声粉碎和搅拌,形成陶瓷涂覆浆料;
S300,将陶瓷涂覆浆料涂覆至多孔基材层100的表面并烘干,形成多孔陶瓷层300;
S400,提供DNP、科琴黑、碳纳米管及粘结剂,混合均匀后,涂覆至多孔陶瓷层300或多孔基材层100的表面并烘干。
本发明实施例还提供一种锂离子电池,包括正极、负极、设置在正极与负极之间的锂离子电池隔膜以及电解液,锂离子电池隔膜如上的锂离子电池隔膜,吸氧层200靠近正极。
该电解液包括溶剂及溶于溶剂的锂盐溶质,该溶剂可选自环状碳酸酯、链状碳酸酯、环状醚类、链状醚类、腈类及酰胺类中的一种或多种,如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、二***、乙腈、丙腈、苯甲醚、丁酸酯、戊二腈、已二腈、γ-丁内酯、γ-戊内酯、四氢呋喃、1,2-二甲氧基乙烷及乙腈及二甲基甲酰胺中的一种或多种。该锂盐溶质可选自氯化锂(LiCl)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)、甲磺酸锂(LiCH3SO3)、三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)、六氟砷酸锂(LiAsF6)、高氯酸锂(LiClO4)及双草酸硼酸锂(LiBOB)中的一种或多种。
该正极可包括正极集流体及正极材料层,该正极集流体用于担载该正极材料层并传导电流,形状可以为箔片或网状。该正极集流体的材料可以选自铝、钛或不锈钢。该正极材料层设置在该正极集流体至少一表面。该正极材料层包括正极活性材料,进一步可选择的包括导电剂以及粘结剂。导电剂以及粘结剂可以与正极活性材料均匀混合。该正极的材料为钴酸锂、镍钴锰或镍钴铝三元正极材料,分子式分别为LiCoO2(钴酸锂)、Li(NixMnyCoz)O2(镍锰钴三元正极)和Li(NixMnyAlz)O2(镍锰铝三元正极),0.50≤x<1.00,0<y≤0.30,0<z≤0.20等。
该负极可包括负极集流体及负极材料层,该负极集流体用于担载该负极材料层并传导电流,形状可以为箔片或网状。该负极集流体的材料可以选自铜、镍或不锈钢。该负极材料层设置在该负极集流体至少一表面。该负极材料层包括负极活性材料,进一步可选择的包括导电剂以及粘结剂。导电剂以及粘结剂可以与负极活性材料均匀混合。该负极活性材料可以为石墨、乙炔黑、微珠碳、碳纤维、碳纳米管或裂解碳等。
本发明实施例的锂离子电池隔膜及锂离子电池,多孔陶瓷层300涂覆在多孔基材层100的表面,吸氧层200涂覆在多孔基材层100的表面或多孔陶瓷层300的表面,不但可以有效的防止因多孔基材层100崩溃导致的电池热失控,也能够吸收正极分解产生的氧气,防止正极产氧所引起的热失控,具有双重保护功能,可以全方位地防止电池热失控的发生,极大地提高锂离子电池的使用安全性,有利于锂离子电池充分发挥高比能的优势。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种锂离子电池隔膜,其特征在于,包括层叠设置的多孔基材层和吸氧层,所述吸氧层包括氧气吸收材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述吸氧层的厚度为0.2-2μm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述氧气吸收材料的粒径为10-5000nm。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述氧气吸收材料包括抗氧剂及气体吸附剂中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述氧气吸收材料包括抗氧剂及气体吸附剂,所述气体吸附剂占所述氧气吸收材料的质量百分比为40-80%。
6.根据权利要求4所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述氧气吸收材料中,所述气体吸附剂的含量大于所述抗氧剂的含量。
7.根据权利要求4所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述气体吸附剂包括活性炭。
8.根据权利要求4所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述抗氧剂包括对苯二胺、4-氨基苯基胺、N,N’-二甲基-1,4苯二胺、N,N’-二苯基-对苯二胺、N-异丙基-N’-苯基-对苯二胺、N-(1,3-二甲基丁基)-N’-苯基-对苯二胺、N,N’-二-2-萘基-对苯二胺、二苯胺、N-苯基-β-萘胺以及4,4’-二辛基二苯胺中的至少一种。
9.根据权利要求1至8任一项所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,还包括层叠设置的多孔陶瓷层,所述多孔陶瓷层涂覆在所述多孔基材层的表面,所述吸氧层涂覆在所述多孔基材层或所述多孔陶瓷层的表面。
10.根据权利要求9所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述多孔陶瓷层设置为一层,涂覆在所述多孔基材层的一个表面,所述吸氧层涂覆在所述多孔基材层的另一个表面。
11.根据权利要求9所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述多孔陶瓷层设置为两层,分别涂覆在所述多孔基材层的两个表面,所述吸氧层设置为一层,涂覆在任意一层所述多孔陶瓷层的表面。
12.根据权利要求9所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述多孔陶瓷层设置为两层,分别涂覆在所述多孔基材层的两个表面,所述吸氧层设置为两层,分别涂覆在两层所述多孔陶瓷层的表面。
13.根据权利要求9所述的锂离子电池隔膜,其特征在于,所述多孔陶瓷层的材料粒径为10-5000nm,厚度为5-20μm。
14.一种锂离子电池,其特征在于,包括正极、负极、设置在所述正极与所述负极之间的锂离子电池隔膜以及电解液,所述锂离子电池隔膜包括如权利要求1至13任一项所述的锂离子电池隔膜,所述吸氧层靠近所述正极。
15.根据权利要求14所述的锂离子电池,其特征在于,所述正极的材料为钴酸锂、镍钴锰或镍钴铝三元正极材料,分子式分别为LiCoO2、Li(NixMnyCoz)O2和Li(NixMnyAlz)O2,0.50≤x<1.00,0<y≤0.30,0<z≤0.20。
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