CN114207928A - 多孔隔膜和包括其的电化学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自立式多孔隔膜和包含其的电化学装置,所述自立式多孔隔膜包括多个无机颗粒和位于无机颗粒的全部或部分表面上以将无机颗粒彼此连接并固定的粘合剂聚合物,其中,所述粘合剂聚合物包括用含有酯基(COO)或羧基(COOH)的单体改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物。根据本发明,可以提供一种在电解质中具有减小的尺寸变化,同时表现出改善的拉伸强度和/或伸长率的多孔隔膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔隔膜和包括该隔膜的电化学装置。具体而言,本发明涉及具有改善的机械性能并抑制电解质的尺寸变化的多孔隔膜,以及包括该隔膜的电化学装置。
本申请要求2019年8月9日在韩国提交的韩国专利申请10-2019-0097678号的优先权,其公开内容在此通过引用并入本文。
背景技术
近来,储能技术已受到越来越多的关注。随着能量存储技术的应用已扩展到手机、便携式录像机和笔记本电脑的能量,甚至扩展到电动汽车的能量,电化学装置的研究和开发工作已越来越多地付诸实践。在这种情况下,电化学装置受到最广泛的关注。在这样的电化学装置中,可充电二次电池的开发已受到关注。最近,已经进行了有关设计新型电极和电池的积极研究,以在开发这种电池时改善容量密度和比能。
在市售二次电池中,1990年代初期开发的锂二次电池受到关注,因为与传统电池(例如Ni-MH、Ni-Cd和使用水性电解质的酸铅电池)相比,它们具有更高的工作电压和明显更高的能量密度。
虽然如锂二次电池等此类电化学装置已由多家生产企业生产,但其安全特性表现出不同的迹象。此类电化学装置的安全性评估和保证非常重要。最重要的考虑因素是电化学装置不应在其故障时损伤用户。为此,安全标准严格控制电化学装置的着火和烟雾排放。关于电化学装置的安全特性,非常担心当电化学装置过热导致热失控或隔膜穿孔时发生***。特别是,通常用作电化学装置用隔膜的聚烯烃类多孔基材由于其材料性质和制造过程中的特性(包括取向)在100℃以上的温度下表现出严重的热收缩行为,从而导致正极和负极之间的短路。
为了解决电化学装置的上述安全性问题,已经提出了一种具有多孔有机-无机涂层的隔膜,该多孔有机-无机涂层通过将过量的无机颗粒与粘合剂聚合物的混合物涂覆到具有多个孔隙的多孔聚合物基材的至少一个表面上而形成。
然而,在形成多孔有机-无机涂层时,由于干燥过程中发生的裂纹等,可能在表面上产生涂层缺陷。因此,当组装或使用二次电池时,涂层可能容易剥离,导致电池安全性降低。此外,为了形成涂层而施加到聚烯烃类多孔基材上的多孔涂层形成用浆料可能具有由于干燥过程中颗粒密度的增加所致而使颗粒以更高密度堆积的部分,从而导致透气性下降的问题。此外,当在聚烯烃基材上形成多孔涂层时,存在隔膜对电极的粘附性低并且具有相对较大厚度的问题,这不符合最近隔膜的薄膜化趋势。因此,本发明的发明人进行了大量研究以提供一种不使用多孔聚合物基材的自立式多孔隔膜以从根本上解决上述问题。
发明内容
技术问题
本发明旨在解决现有技术的问题,因此本发明旨在提供一种不同于使用聚烯烃类多孔聚合物基材的隔膜的即使暴露在120℃以上的高温下也不会引起热收缩现象的自立式多孔隔膜,从而具有改善的安全性。
本发明的发明人已经发现,当隔膜用电解质浸渍时,由于隔膜的膨胀而产生自立式多孔隔膜的从一边到另一边的尺寸变化的问题。当使用聚烯烃类多孔聚合物基材时,该问题没有出现。本发明的发明人进行了许多研究以提供一种自立式多孔隔膜,其解决了在不使用聚烯烃类多孔聚合物基材时产生的问题,即由膨胀引起的尺寸变化的问题。此外,本发明旨在提供用于防止由于这种尺寸变化产生的电芯外观缺陷或由于在电极和自立式多孔隔膜之间形成间隙而导致的在电芯中产生气泡的问题的解决方案。当发生尺寸变化时,可能在电极和自立式多孔隔膜之间产生界面电阻。本发明旨在解决由这种界面电阻引起的锂沉积和电芯电阻快速增加的问题。
本发明还涉及提供一种与使用聚烯烃多孔聚合物基材的隔膜相比改善了低拉伸强度的自立式多孔隔膜。
如本文所用,“尺寸变化或尺寸变化率”是指在用电解质浸渍后不使用多孔聚合物基材的自立式多孔隔膜的尺寸变化(增加或减少),其以基于用电解质浸渍前的相同隔膜的尺寸的百分比(%)表示。
此外,本发明旨在提供一种包括所述多孔隔膜的电化学装置。
技术方案
在本发明的一个方面,提供了根据以下实施方式中的任何一个的自立式多孔隔膜。
根据第一实施方式,提供了一种自立式多孔隔膜,其包含多个无机颗粒和位于无机颗粒的全部或部分表面上以将无机颗粒彼此连接并固定的粘合剂聚合物,其中,所述粘合剂聚合物包含用含有酯基(COO)或羧基(COOH)的单体改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物。
根据第二实施方式,提供如第一实施方式中所述的自立式多孔隔膜,其中,基于100重量%的所述改性聚偏二氟乙烯(PVdF),所述单体的含量为0.1重量%至10重量%。
根据第三实施方式,提供如第一或第二实施方式中所述的自立式多孔隔膜,其中,所述改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物的重均分子量为600,000g/mol至2,000,000g/mol。
根据第四实施方式,提供如第一至第三实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜,其中,所述无机颗粒与所述粘合剂聚合物的重量比为60:40至90:10。
根据第五实施方式,提供如第一至第四实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜,其中,所述无机颗粒包括介电常数为5以上的无机颗粒、具有锂离子传输能力的无机颗粒或它们的混合物。
根据第六实施方式,提供如第一至第五实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜,其中,所述改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物的熔点等于或高于150℃且低于170℃。
根据第七实施方式,提供如第一至第六实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜,其中,基于100重量%的所述改性聚偏二氟乙烯(PVdF),所述单体的含量为0.1重量%至5重量%。
根据第八实施方式,提供如第一至第七实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜,其中,所述聚偏二氟乙烯类粘合剂聚合物包括选自均聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氯乙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氟丙烯和聚偏二氟乙烯-co-四氟丙烯中的任何一种,或其中两种以上的混合物。
根据第九实施方式,提供如第一至第八实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜,其中,所述多孔隔膜中的所述无机颗粒通过所述粘合剂聚合物彼此结合,同时它们堆积并彼此接触,从而形成所述无机颗粒之间的间隙体积,并且所述无机颗粒之间的间隙体积成为空位以形成孔隙。
根据第十实施方式,提供如第一至第九实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜,其厚度为5μm至100μm。
在本发明的另一个方面,提供了根据以下实施方式中的任何一个的电化学装置。
根据第十一实施方式,提供了一种电化学装置,其包括正极、负极和介于所述正极和所述负极之间的隔膜,其中,所述隔膜是如第一至第十实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜。
根据第十二实施方式,提供如第十一实施方式中所述的电化学装置,其为锂二次电池。
在本发明的又一方面,提供了根据以下实施方式中的任何一个的自立式多孔隔膜的制造方法。
根据第十三实施方式,提供了如第一至第十实施方式中任一个所述的自立式多孔隔膜的制造方法,其包括以下步骤:
制备含有无机颗粒和粘合剂聚合物的多孔隔膜形成用浆料;并将所述浆料施加到离型基材的一个表面上,干燥所述浆料并去除所述离型基材,或者
制备含有无机颗粒和粘合剂聚合物的多孔隔膜形成用浆料;并将所述多孔隔膜形成用浆料直接施加到选自正极和负极的至少一个电极层的一个表面上,并干燥所述浆料以获得直接结合到所述电极层的电极-多孔隔膜复合体。
根据第十四实施方式,提供了如第十三实施方式中所述的自立式多孔隔膜的制造方法,其中,通过溶剂流延或狭缝涂布法将所述多孔隔膜形成用浆料施加到所述离型基材或所述电极层上。
有利效果
本发明的实施方式的多孔隔膜没有设置聚烯烃类多孔基材以节省成本。此外,可以控制整个隔膜的孔径和孔隙率,从而实现均匀的多孔隔膜。此外,隔膜可以具有小厚度以有利地减轻重量并增加能量密度。另外,即使隔膜暴露于120℃以上的高温,也不会发生热收缩,因此该隔膜能够提供具有改善的安全性的电池。
根据本发明的实施方式,可以提供在电解质中显示出减小的尺寸变化并且克服了现有技术的自立式多孔隔膜中出现的问题的多孔隔膜。
根据本发明的实施方式,可以提供与使用聚烯烃类多孔聚合物基材的多孔隔膜相比显示出在低拉伸强度和/或伸长率方面改善的多孔隔膜。
附图说明
图1是说明根据实施例1至3获得的多孔隔膜在用电解质浸渍多孔隔膜之后的尺寸变化的图。
图2是说明根据实施例1至3获得的多孔隔膜各自的拉伸强度的图。
具体实施方式
在下文中,将参照附图详细描述本发明的优选实施方式。在说明之前,应理解的是,说明书和所附权利要求书中使用的术语不应解释为局限于一般和词典含义,而应基于允许发明人适当地定义术语以最好地解释的原则,根据与本发明的技术方面对应的含义和概念来解释。
因此,本文提出的描述是仅仅出于说明目的、并非意在限制本发明的范围的目的的优选实例,所以应理解,在不脱离本发明的范围的情况下可以做出其它等同物和修改。
如本文所用,表述“一个部分连接到另一部分”不仅涵盖“一个部分直接连接到另一部分”,而且涵盖通过夹在它们之间的其它元件的方式的“一个部分间接连接到另一部分”。此外,“连接”包括电化学连接以及物理连接。
在整个说明书中,表述“一部分包括要素”并不排除任何附加的要素的存在,而是指该部分还可以包括其它要素。
另外,将理解的是,当在本说明书中使用时,术语“包括”和/或“包含”是指存在任何所述形状、数字、步骤、操作、构件、元件和/或其组合,但不排除添加一个或多个其他形状、数字、步骤、操作、构件、元件和/或其组合。
如本文所用,术语“约”或“基本上”等,被用作当提出所述含义特有的可接受的制备和材料误差时与所述数值相邻的含义,并且被用于防止不负责任的侵权者不当地使用所述公开内容,其包括提供来帮助理解本发明的精确或绝对数值。
如本文所用,在任何马库什型表述中包含的术语“其组合”是指选自由马库什型表述中公开的要素组成的组中的一种或多种元素的组合,并且是指选自该组的一种或多种要素的存在。
如本文所用,表述“A和/或B”是指“A、B或两者”。
在本发明的一个方面,提供了一种自立式多孔隔膜,其包括多个无机颗粒和位于无机颗粒的全部或部分表面上以将无机颗粒彼此连接并固定的粘合剂聚合物,其中,所述粘合剂聚合物包括用含有酯基(COO)或羧基(COOH)的单体改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物。
本发明的多孔隔膜可以***正极和负极之间以用作隔膜。因此,多孔隔膜可相当于多孔分隔层。此外,就构成要素而言,多孔隔膜包括有机材料与无机材料的组合,因此可相当于有机-无机复合物。
由于这种有机-无机复合物仅包含无机材料和粘合剂聚合物而没有多孔聚合物基材,因此与多孔聚合物基材相比,它的拉伸强度和伸长率较低,从而引起隔膜很可能在批量生产和组装过程中被撕裂或发生内部微短路的问题。此外,有机-无机复合物仅包含无机颗粒和粘合剂聚合物,因此当用电解质浸渍时可能会膨胀,从而在应用于二次电池时导致外观缺陷。
根据本发明,当用电解质浸渍多孔隔膜时,使用改性粘合剂聚合物以增加拉伸强度,同时抑制这种膨胀现象。
由于自立式多孔隔膜不使用聚烯烃多孔聚合物基材,因此在暴露于120℃以上的高温时不会引起热收缩现象,从而改善了安全性。然而,本发明的发明人已经发现当自立式多孔隔膜用电解质浸渍时由于膨胀而在隔膜的一边到另一边发生尺寸变化的问题。当使用聚烯烃类多孔聚合物基材时,没有出现上述问题。本发明的发明人进行了许多研究以提供一种自立式多孔隔膜,其解决了在不使用聚烯烃类多孔聚合物基材时产生的问题,即由膨胀引起的尺寸变化的问题。此外,本发明旨在提供用于防止由于这种尺寸变化产生的电芯外观缺陷或由于在电极和自立式多孔隔膜之间形成间隙而导致的在电芯中产生气泡的问题的解决方案。当发生尺寸变化时,可能在电极和自立式多孔隔膜之间产生界面电阻。本发明旨在解决由这种界面电阻引起的锂沉积和电芯电阻快速增加的问题。
本发明还涉及提供一种与使用聚烯烃多孔聚合物基材的隔膜相比改善了低拉伸强度的自立式多孔隔膜。
特别是,根据本发明的实施方式,自立式多孔隔膜包含改性的聚偏二氟乙烯类粘合剂聚合物,基于100重量%的改性聚偏二氟乙烯(PVdF),该聚合物包含0.1重量%至10重量%的含有酯基(COO)或羧基(COOH)的单体。根据本发明的一个具体实施方式,基于100重量%的改性聚偏二氟乙烯(PVdF),所述单体的含量可以为0.1重量%至5重量%。当使用未改性的聚偏二氟乙烯类粘合剂聚合物时,粘合剂聚合物之间的粘附太差而不能形成膜。同时,当单体的含量大于10重量%时,由于结合力过大,可能发生浆料团聚。
根据本发明的实施方式,当聚偏二氟乙烯用含有酯基(COO)或羧基(COOH)的单体改性时,拉伸强度增加。据认为这是因为粘合剂聚合物的结构改善了无机颗粒和粘合剂聚合物之间的结合力。特别是,当单体的含量为0.1重量%至10重量%时,拉伸强度增加。如果使用未改性的聚偏二氟乙烯类粘合剂聚合物,无机颗粒和粘合剂聚合物之间的结合力降低,从而导致拉伸强度降低。当单体的含量大于10重量%时,由于结合力过大,可能发生浆料团聚。在这种情况下,难以确保浆料稳定性。
根据本发明的实施方式,所述聚偏二氟乙烯类粘合剂聚合物包括选自均聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氯乙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氟丙烯和聚偏二氟乙烯-co-四氟丙烯中的任何一种,或其中两种以上的混合物。
根据本发明的实施方式,粘合剂聚合物的重均分子量可以为600,000g/mol以上、700,000g/mol以上或800,000g/mol以上,并且为2,000,000g/mol以下、1,600,000g/mol以下、1,500,000g/mol以下或1,200,000g/mol以下。在上述范围内,可以防止隔膜强度显著降低和无法实现不具有多孔基材作为载体的自立式膜的问题。此外,上述定义的重均分子量范围提供了足够的粘度以有利于制造过程。
粘合剂聚合物的重均分子量(Mw)是基于聚苯乙烯表示的重均分子量(Mw),通过凝胶渗透色谱法(GPC)测定。
根据本发明的实施方式,与仅包括均聚偏二氟乙烯类粘合剂的粘合剂聚合物相比,改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物具有更大的重均分子量,因此由于重均分子量的这种增加,可具有等于或高于150℃且低于170℃的熔点。更具体而言,改性聚偏二氟乙烯可以具有等于或高于160℃且低于170℃的熔点。在上述范围内,多孔隔膜具有优异的耐热性并且有利地在电解质中显示出较小的尺寸变化。
同时,根据本发明的实施方式,多孔隔膜可以具有5μm至100μm的厚度。
本发明的实施方式的多孔隔膜还可包括具有-200℃至200℃的玻璃化转变温度(Tg)的粘合剂聚合物。这是因为这样的聚合物可以改善最终形成的多孔隔膜的机械性能,如柔韧性和弹性。这样的粘合剂聚合物充当将无机颗粒彼此连接并稳定地固定的粘合剂,于是有助于防止多孔隔膜的机械性能的下降。
另外,粘合剂聚合物基本上不需要具有离子导电性。不过,当使用具有离子导电性的聚合物时,可以进一步提高电化学装置的性能。因此,可以使用介电常数尽可能高的粘合剂聚合物。实际上,由于电解质中盐的解离度取决于用于电解质的溶剂的介电常数,因此具有较高介电常数的粘合剂聚合物可以改善电解质中的盐解离度。粘合剂聚合物的介电常数可以为1.0至100(在1kHz的频率下测量),特别是10以上。
除了上述功能外,粘合剂聚合物的特征可以还在于,其在用液体电解质浸渍时会凝胶化,因此显示出高溶胀度。于是,粘合剂聚合物具有15MPa1/2至45MPa1/2或15MPa1/2至25MPa1/2和30MPa1/2至45MPa1/2的溶解度参数(即,希尔德布兰德溶解度参数)。因此,与如聚烯烃等疏水性聚合物相比,可以更频繁地使用具有许多极性基团的亲水性聚合物。当溶解度参数小于15MPa1/2且大于45MPa1/2时,粘合剂聚合物难以用常规的电池用液体电解质溶胀。
在所述多孔隔膜中,所述无机颗粒通过所述粘合剂聚合物彼此结合,同时它们堆积并彼此接触,从而形成所述无机颗粒之间的间隙体积,并且所述无机颗粒之间的间隙体积成为空位以形成孔隙。
换句话说,粘合剂聚合物将无机颗粒彼此连接,使得它们可以保持其结合状态。例如,粘合剂聚合物将无机颗粒彼此连接并固定。此外,多孔隔膜的孔隙是由无机颗粒之间的间隙体积成为空位而形成的孔隙。该空位可以由基本上在无机颗粒的紧密堆积或致密堆积结构中彼此相对的无机颗粒所界定。
可以另外使用的粘合剂聚合物没有特别限制,可以使用任何粘合剂聚合物,只要它是本领域中常规使用的即可。例如,粘合剂聚合物可以包括但不限于:聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸丁酯、聚丙烯腈、聚乙烯基吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯-co-乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷、聚芳酯、乙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、氰乙基支链淀粉、氰乙基聚乙烯醇、氰乙基纤维素、氰乙基蔗糖、支链淀粉和羧甲基纤维素。
无机颗粒的非限制性实例包括介电常数为5以上、特别是10以上的高介电常数无机颗粒、具有锂离子传输能力的无机颗粒或其混合物。
介电常数为5以上的无机颗粒可以包括选自由BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)、Pb1- xLaxZr1-yTiyO3(PLZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3PbTiO3(PMN-PT)、氧化铪(HfO2)、SrTiO3、SnO2、CeO2、MgO、NiO、CaO、ZnO、ZrO2、Y2O3、Al2O3、TiO2、SiC、AlO(OH)、Al2O3 .H2O或其混合物组成的组中的任何一种。
另外,具有锂离子传输能力的无机颗粒是指包含锂元素并且不存储锂但是传输锂离子的无机颗粒。具有锂离子传输能力的无机颗粒的非限制性实例包括磷酸锂(Li3PO4),锂钛磷酸盐((LixTiy(PO4)3,,0<x<2,0<y<3),铝锂钛磷酸盐(LixAlyTiz(PO4)3,0<x<2,0<y<1,0<z<3),(LiAlTiP)xOy类玻璃(1<x<4,0<y<13),如14Li2O-9Al2O3-38TiO2-39P2O5,锂镧钛酸盐(LixLayTiO3,0<x<2,0<y<3),硫代磷酸锗锂(LixGeyPzSw,0<x<4,0<y<1,0<z<1,0<w<5),如Li3.25Ge0.25P0.75S4,锂氮化物(LixNy,0<x<4,0<y<2),如Li3N,SiS2类玻璃(LixSiySz,0<x<3,0<y<2,0<z<4),如Li3PO4-Li2S-SiS2,以及P2S5类玻璃(LixPySz,0<x<3,0<y<3,0<z<7),如LiI-Li2S-P2S5,或其混合物。
此外,基于多孔隔膜的总重量,改性粘合剂聚合物的含量可为13重量%至27重量%,特别是18重量%至22重量%。当含量以体积表示时,基于多孔隔膜的总体积,改性聚合物的用量可以为20体积%至60体积%或27体积%至43体积%。当粘合剂聚合物的含量满足上述范围时,可以防止由于在所得多孔隔膜的孔隙中存在过量粘合剂聚合物而引起的孔径和孔隙率减小的问题。还可以通过粘合剂聚合物稳定地固定无机颗粒,同时防止在多孔隔膜的制造过程中或在设置有多孔隔膜的电化学装置的存储或运行过程中无机颗粒的脱离。
除了上述无机颗粒和粘合剂聚合物之外,本发明的实施方式的多孔隔膜还可以包括其他添加剂。
本发明的实施方式的多孔隔膜可以通过下述方法获得:制备包含无机颗粒和粘合剂聚合物的多孔隔膜形成用浆料,将所述浆料施加到离型基材的一个表面上,干燥所述浆料并去除所述离型基材。在一个变型中,多孔隔膜可以通过下述方法获得:将所述多孔隔膜形成用浆料直接施加到选自正极和负极的至少一个电极层的一个表面上,并干燥所述浆料以提供直接结合到所述电极层的电极-多孔隔膜复合体。
首先,可以通过将粘合剂聚合物溶解在溶剂中、向其中加入无机颗粒并分散它们来制备多孔隔膜形成用浆料。可以在预先将无机颗粒粉碎至预定平均粒径之后添加无机颗粒。或者,可以将无机颗粒添加到粘合剂聚合物溶液中,然后粉碎并分散,同时通过使用球磨法等将它们控制为具有预定的平均粒径。
虽然将多孔隔膜形成用浆料涂布(施加)至离型基材或电极层的方法没有特别限制,但可以优选使用溶剂流延或狭缝涂布。狭缝涂布过程包括将通过狭缝模头供应的组合物涂布到基材的整个表面上,并且能够根据计量泵供应的流体来控制涂层的厚度。
然后,将涂布有多孔隔膜形成用浆料的离型基材通过使用烘箱等干燥器进行干燥,除去离型基材,得到多孔隔膜。离型基材的具体实例包括玻璃板、聚乙烯膜或聚酯膜等,但不限于此。
在一个变型中,当将多孔隔膜形成用浆料直接涂覆在电极层上时,可以以与上述相同的方式将其干燥以提供电极-多孔隔膜复合体。
在另一方面,提供了一种电化学装置,其包括正极、负极和介于所述正极和所述负极之间的隔膜,其中,所述隔膜是上述的本发明的实施方式的多孔隔膜。
电化学装置包括进行电化学反应的任何装置,其具体实例包括所有类型的一次电池、二次电池、燃料电池、太阳能电池或电容器,如超级电容器装置。特别是,在二次电池中,优选锂二次电池,包括锂金属二次电池、锂离子二次电池、锂聚合物二次电池或锂离子聚合物电池。
与本发明的隔膜组合使用的两个电极(正极和负极)没有特别限制,并且可以通过本领域公知的方法使电极活性材料结合到电极集流体而获得。在电极活性材料中,正极活性材料的非限制性实例包括可以用于常规电化学装置的正极的常规正极活性材料。特别是,优选使用锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂铁氧化物或含有其组合的锂复合氧化物。负极活性材料的非限制性实例包括可用于常规电化学装置的负极的常规负极活性材料。特别是,优选使用如锂金属或锂合金等锂嵌入材料、碳、石油焦、活性炭、石墨或其他碳质材料。正极集流体的非限制性实例包括由铝、镍或其组合制成的箔。负极集流体的非限制性实例包括由铜、金、镍、镍合金或其组合制成的箔。
可用于本发明的电化学装置的电解质是具有A+B-的结构的盐,其中A+包括碱金属阳离子,例如Li+、Na+、K+或其组合,B-包括阴离子,如PF6 -、BF4 -、Cl-、Br-、I-、ClO4 -、AsF6 -、CH3CO2 -、CF3SO3 -、N(CF3SO2)2 -、C(CF2SO2)3 -或其组合,所述盐溶解或离解在有机溶剂中,所述有机溶剂包括碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)、二甲基亚砜、乙腈、二甲氧基乙烷、二乙氧基乙烷、四氢呋喃、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、碳酸乙甲酯(EMC)、γ-丁内酯或其组合。然而,本发明不限于此。
电解质的注入可以在电池制造过程中的适当步骤中进行,这取决于最终产品的制造过程和最终产品所需的性能。换句话说,电解质的注入可以在电池组装之前或在电池组装的最后步骤中进行。
在下文中将更充分地说明实施例,从而可以容易地理解本发明。不过,下面的实施例可以以许多不同的形式实施,并且不应被解释为局限于本文阐述的示例性实施方式。相反,提供这些示例性实施方式使本发明充分完整,并且将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。
重均分子量(Mw)的测定
在以下条件下通过使用凝胶渗透色谱法(GPC)测定重均分子量:
-仪器:Agilent Technologies Co.提供的1200系列
-柱:使用Polymer laboratories Co.提供的两个PLgel混合B柱。
-溶剂:四氢呋喃(THF)
-柱温:40℃
-样品浓度:1mg/mL,注射100L。
-标样:聚苯乙烯(Mp:3900000,723000,316500,52200,31400,7200,3940,485)
改性粘合剂聚合物中单体种类和含量的测定
单体的种类和含量在以下条件下通过使用NMR谱测定。具体而言,改性粘合剂聚合物中单体的比例可以由使用1H-NMR谱测定的源自羧基和聚偏二氟乙烯的主链(-CH2CF2-)CH2的峰面积比计算。
-仪器:AVANCE AC 400FT谱仪(Bruker Co.)
-用于测定的频率:400MHz
-用于测定的溶剂:二甲基亚砜(DMSO)
-测定过程中的温度:25℃
实施例1
<正极和负极的制造>
首先,将96.7重量份用作正极活性材料的LiCoO2、1.3重量份用作导电材料的石墨和2.0重量份用作粘合剂的聚偏二氟乙烯(PVdF)混合以制备正极合剂。将所得正极合剂分散在用作溶剂的N-甲基-2-吡咯烷酮中以制备正极浆料。将该浆料涂布在厚度为20μm的铝箔的两面,然后干燥并压制,得到正极。
接着,将97.6重量份作为负极活性材料的石墨与作为粘合剂的1.2重量份丁苯橡胶(SBR)和1.2重量份羧甲基纤维素(CMC)混合,得到负极合剂。将负极合剂分散在用作溶剂的离子交换水中以制备负极浆料。将该浆料涂布在厚度为20μm的铜箔的两面,然后干燥并压制,得到负极。
<多孔隔膜的制造>
制备包含用1%含羧基(COOH)单体取代的均聚偏二氟乙烯(homo-PVdF)的改性粘合剂聚合物。具体而言,将7重量份的重均分子量为600,000g/mol的改性粘合剂聚合物加入到93重量份的N-甲基-2-吡咯烷酮中并在50℃下溶解在其中,以制备粘合剂聚合物溶液。然后,将无机颗粒、即平均粒径为250nm的勃姆石(AlOOH)添加到制备的粘合剂聚合物溶液中,使勃姆石与粘合剂聚合物的重量比为80:20,并分散在其中以制备多孔隔膜用浆料。在此,基于多孔隔膜的总重量,粘合剂聚合物的含量为20重量%(相当于30体积%)。
将制备的浆料通过溶剂流延涂覆在玻璃板上,涂层厚度控制为约20μm。然后,将浆料在150℃烘箱中干燥30分钟并去除基材,以获得多孔隔膜。
<锂二次电池的制造>
将LiPF6溶解在含有体积比为3:3:4的碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)和碳酸二乙酯(DEC)的有机溶剂中至浓度为1.0M,以制备非水性电解质。
将多孔隔膜置于正极和负极之间,将所得结构体收纳在袋中,并向其中注入电解质,从而获得锂二次电池。
实施例2
制备包含用2%含羧基(COOH)单体(基于100重量%的改性PVdF类粘合剂聚合物)取代的聚偏二氟乙烯(homo-PVdF)的改性粘合剂聚合物。特别是,除了使用重均分子量为600,000g/mol的改性PVdF类粘合剂聚合物之外,以与实施例1相同的方式获得多孔隔膜和锂二次电池。
实施例3
制备包含用4%含羧基(COOH)单体(基于100重量%的改性PVdF类粘合剂聚合物)取代的聚偏二氟乙烯(homo-PVdF)的改性粘合剂聚合物。特别是,除了使用重均分子量为600,000g/mol的改性PVdF类粘合剂聚合物之外,以与实施例1相同的方式获得多孔隔膜和锂二次电池。
比较例1
除了使用未取代有官能团、即未用取代基改性并且重均分子量为600,000g/mol的均聚偏二氟乙烯(homo-PVdF)以外,以与实施例1相同的方式获得多孔隔膜和锂二次电池。
物理性质评价
尺寸变化评价
按照以下方法在用电解质浸渍时的尺寸变化方面评价从实施例1至3和比较例1获得的各个多孔隔膜。结果示于下表1中。此外,在尺寸变化方面评价实施例1至3的各个多孔隔膜。结果示于图1。
<尺寸变化的测定方法>
制备两张尺寸为100x 100mm的各个隔膜片并浸入装有10mL电解质的500mLNalgen瓶中。1小时后,将各个隔膜放置在PET膜上,并在宽度/长度方向上测量基于初始长度的长度增加。将两个多孔隔膜片的平均值定义为尺寸变化。
拉伸强度评价
按照以下方法评价由实施例1至3和比较例1获得的各个多孔隔膜的拉伸强度。结果示于表1。此外,按照以下方法评价由实施例1至3获得的各个多孔隔膜的拉伸强度。结果示于图2。
<拉伸强度的测定方法>
制备六张尺寸为100×20mm的各个多孔隔膜片,并用Instron Co.提供的仪器通过在室温下以500mm/min拉伸多孔隔膜直至其断裂来测定拉伸强度。将六张多孔隔膜片的平均值定义为拉伸强度。在此,用于测定的样品面积为20×20mm。
伸长率评价
按照以下方法评价由实施例1-3和比较例1获得的各个多孔隔膜的伸长率。结果示于表1。
<伸长率的测定方法>
制备六张尺寸为100x20mm的各个多孔隔膜,用Instron Co.提供的仪器在室温下以500mm/min拉伸,并测量各个多孔隔膜在其断裂前的长度增加。基于其初始长度计算各个多孔隔膜的长度增加的比率,并且将六张多孔隔膜片的平均值定义为伸长率。在此,用于测定的样品面积为20×20mm。
[表1]
参见图1、图2和表1,当在比较例1中使用未用单体改性的粘合剂聚合物时,无法形成膜。特别是,在比较例1的情况下,使用重均分子量为600,000g/mol的均聚偏二氟乙烯,因此由于没有用单体进行取代,粘合剂聚合物之间的粘附力低,并且不能形成膜。
同时,在实施例1至3的情况下,使用包含取代有1重量%至4重量%羧基的均聚偏二氟乙烯的粘合剂聚合物。可以看出,隔膜显示出尺寸变化的改善并提供增大的拉伸强度。
Claims (14)
1.一种自立式多孔隔膜,其包含:
多个无机颗粒;和
粘合剂聚合物,所述粘合剂聚合物位于所述无机颗粒的全部或部分表面上以将所述无机颗粒彼此连接并固定,
其中,所述粘合剂聚合物包含用含有酯基(COO)或羧基(COOH)的单体改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物。
2.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,基于100重量%的改性聚偏二氟乙烯(PVdF),所述单体的含量为0.1重量%至10重量%。
3.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,所述改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物的重均分子量为600,000g/mol至2,000,000g/mol。
4.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,所述无机颗粒与所述粘合剂聚合物的重量比为60:40至90:10。
5.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,所述无机颗粒包括介电常数为5以上的无机颗粒、具有锂离子传输能力的无机颗粒或它们的混合物。
6.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,所述改性的聚偏二氟乙烯(PVdF)类粘合剂聚合物的熔点等于或高于150℃且低于170℃。
7.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,基于100重量%的改性聚偏二氟乙烯(PVdF),所述单体的含量为0.1重量%至5重量%。
8.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,所述聚偏二氟乙烯类粘合剂聚合物包括选自均聚偏二氟乙烯、聚偏二氟乙烯-co-六氟丙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氟氯乙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氯乙烯、聚偏二氟乙烯-co-三氟丙烯和聚偏二氟乙烯-co-四氟丙烯中的任何一种,或其中两种以上的混合物。
9.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其中,所述多孔隔膜中的所述无机颗粒通过所述粘合剂聚合物彼此结合,同时它们堆积并彼此接触,从而形成所述无机颗粒之间的间隙体积,并且所述无机颗粒之间的间隙体积成为空位以形成孔隙。
10.如权利要求1所述的自立式多孔隔膜,其厚度为5μm至100μm。
11.一种电化学装置,其包括正极、负极和介于所述正极和所述负极之间的隔膜,其中,所述隔膜是权利要求1至10中任一项所述的自立式多孔隔膜。
12.如权利要求11所述的电化学装置,其为锂二次电池。
13.权利要求1至10中任一项所述的自立式多孔隔膜的制造方法,其包括以下步骤:
制备含有无机颗粒和粘合剂聚合物的多孔隔膜形成用浆料;以及将所述浆料施加到离型基材的一个表面上,干燥所述浆料并去除所述离型基材,或者
制备含有无机颗粒和粘合剂聚合物的多孔隔膜形成用浆料;以及将所述多孔隔膜形成用浆料直接施加到选自正极和负极的至少一个电极层的一个表面上,并干燥所述浆料以获得直接结合到所述电极层的电极-多孔隔膜复合体。
14.如权利要求13所述的自立式多孔隔膜的制造方法,其中,通过溶剂流延或狭缝涂布法将所述多孔隔膜形成用浆料施加到所述离型基材或所述电极层上。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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