CN115566361A - 隔离膜、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种隔离膜、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。所述隔离膜包括多孔基材；设置于多孔基材至少一个表面的第一涂层，第一涂层包括无机颗粒和粘结剂；设置于第一涂层至少一部分表面的第二涂层，第二涂层包括陶瓷纤维；设置于第二涂层至少一部分表面的第三涂层，第三涂层包括聚合物凝胶。本申请提供的隔离膜可有效改善电芯局部区域因电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良的情况，从而降低电芯局部析锂的风险，改善电芯的容量衰减速度，提高电芯的循环寿命。

Description

隔离膜、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置
技术领域
本申请涉及电池领域，具体地讲，涉及一种隔离膜、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。
背景技术
电池隔离膜是具有多孔结构的绝缘性薄膜，是电池的重要组成部分，其能够阻隔正、负极极片，防止正、负极极片在电池内部短路。电池隔离膜内部具有纳米级孔道，允许锂离子及其他离子在充放电过程中自由穿过，为锂离子在正、负极之间的快速传输提供通道。
锂离子电池在循环充放电过程中，体积不断膨胀，对外表现形式为厚度和应力的变化。电芯膨胀会使得极片与极片之间互相挤压，电解液被挤出，尤其在电芯拐角区域。由于电芯拐角区域的Gap与应力和非拐角区域的不一样，隔离膜保液较难，使得整个电芯的电解液分布不均匀，造成部分极片缺液和浸润不足，从而析锂。此外，电解液缺失和浸润不足均会致使电芯内阻偏高、容量衰减和循环性能降低，甚至可能引起安全问题。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本申请提供一种隔离膜、锂离子电池、电池模组、电池包及用电装置。
第一方面，本申请提供一种隔离膜，包括：多孔基材；第一涂层，所述第一涂层设置于所述多孔基材的至少一个表面，所述第一涂层包括无机颗粒和粘结剂；第二涂层，所述第二涂层设置于所述第一涂层的至少一部分表面，所述第二涂层包括陶瓷纤维；第三涂层，所述第三涂层设置于所述第二涂层的至少一部分表面，所述第三涂层包括聚合物凝胶。
相对于现有技术而言，本申请提供的隔离膜在多孔基材的至少一个表面依次包括第一涂层以及设置于所述第一涂层的至少一部分表面的第二涂层、设置于所述第二涂层的至少一部分表面的第三涂层。其中，第一涂层包括无机颗粒和粘结剂，第二涂层包括陶瓷纤维，第三涂层包括聚合物凝胶。
本申请提供的隔离膜，在多孔基材及无机颗粒第一涂层的基础上，增设了第二涂层和第三涂层。其中，第二涂层中的陶瓷纤维因具有类似“绒毛”状结构，具有一定柔性和弹性，可以加强隔离膜的吸液能力；第三涂层中的聚合物凝胶具有微孔结构，吸收电解液后溶胀产生横向作用力压靠极片，可改善隔离膜保液难造成电解液不足的情况。因而，本申请提供的隔离膜可改善电芯因局部电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良的情况。
可选的，所述第二涂层的设置区域为一个或多个，所述多个第二涂层间隔分布于所述第一涂层的至少一部分表面；和/或，所述第三涂层的设置区域为一个或多个，所述多个第三涂层间隔分布于所述第二涂层的至少一部分表面。多个间隔分布的第二涂层、第三涂层，可更为有效地解决电解液不足或分布不均匀问题的同时，控制电芯的重量及成本，提高电池的能量密度。
可选的，所述陶瓷纤维选自氧化铝陶瓷纤维、氧化硅陶瓷纤维、氮化硅陶瓷纤维、钛酸钡陶瓷纤维、氧化钛陶瓷纤维、氧化镁陶瓷纤维中的至少一种。其中，氧化铝陶瓷纤维或氧化硅陶瓷纤维价廉质轻，可以在保证陶瓷纤维起到吸液作用的同时，尽可能提高电池的能量密度。
可选的，所述第二涂层的厚度为4μm～6μm；进一步可选的，所述第二涂层的厚度为5μm～5.5μm。第二涂层过厚会导致电池能量密度偏低，同时电池阻抗会增大；而第二涂层层厚度过薄，则“绒毛”结构弹性较小，起不到一定的吸液效果。
可选的，所述聚合物凝胶选自以下类型的聚合物凝胶中的至少一种：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈系、聚丙烯酸甲酯系、聚醚系和含氟聚合物系。上述聚合物凝胶层在起到保液作用的同时，还具有隔热性好、耐腐蚀性好、热稳定性好的特点。
进一步可选的，所述聚合物凝胶选自以下类型的聚合物凝胶中的至少一种：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯。其中，聚酰亚胺不仅力学性能和耐热性能较好，而且电解液润湿性能好，可使隔离膜在保持较强的结构稳定性的同时具有较高的电解液保液能力。聚对苯二甲酸乙二醇酯的电绝缘性优良，电性能较好，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。聚苯乙烯易加工成型，价廉，隔热性、绝缘性和耐腐蚀性好。
可选的，所述第三涂层的厚度为3μm～5μm，进一步可选的，所述第三涂层的厚度为4μm～4.5μm。如第三涂层过厚，不仅会降低电池能量密度，而且会造成电解液穿过该涂层的阻力增大，电解液不能很好地浸润整个隔离膜。而第三涂层过薄，则会影响凝胶的保液能力，达不到较佳的保液效果。
可选的，所述第三涂层中的聚合物凝胶颗粒的粒径为100nm～1000nm；进一步可选的，所述第三涂层中的聚合物凝胶颗粒的粒径为300nm～500nm。聚合物凝胶颗粒的粒径过小，会使得隔离膜阻抗增大，锂离子通过隔离膜较困难，传输速度会降低。而聚合物凝胶颗粒的粒径过大，则会减小隔离膜对电解液的吸附能力，影响保液效果。
可选的，所述第三涂层中的聚合物凝胶颗粒为实心颗粒或空心颗粒。当聚合物凝胶颗粒为空心颗粒，聚合物凝胶层吸收电解液后可产生的溶胀作用更显著，可更有效地改善隔离膜保液难造成电解液不足的情况。
可选的，所述第一涂层中的无机颗粒包括以下无机颗粒中的至少一种：氧化硅、氧化铝、勃姆石、硫酸钡、氧化钙、氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化锆和氧化锡。
可选的，所述第一涂层中的粘结剂包括以下粘接剂中的至少一种：苯乙烯、丙烯酸酯、醋酸乙烯、脂肪酸乙烯酯、环氧树脂、线性聚酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚硫橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚异丁烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、丁苯橡胶和明胶。
第二方面，本申请提供一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔离膜、电解液，其中，所述隔离膜为根据本申请第一方面的隔离膜。
可选的，本申请所提供的锂离子电池包括卷绕型电极组件，所述第二涂层至少设置于隔离膜拐角区域的第一涂层的至少一部分表面。拐角区域较易发生电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良的情况，将第二涂层和至少设置于隔离膜拐角区域的部分第一涂层表面，能有效改善电芯因拐角区域电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良的情况，降低电芯局部析锂的风险，提高电芯的循环寿命。
可选的，多个所述第二涂层间隔设置于所述第一涂层的部分表面，多个所述第二涂层的设置区域的总面积占所述隔离膜拐角区域面积的88％～95％，可选的，多个所述第二涂层的设置区域的总面积占所述隔离膜拐角区域面积的90％～92％。当第二涂层的总面积在电芯拐角区域的隔离膜面积中的占比过大，锂离子穿过隔离膜的阻力会增大，传输速率降低，电解液浸润隔离膜效果达不到最佳，整个锂电池阻抗也会增大；当第二涂层的总面积在电芯拐角区域的隔离膜面积中的占比过小，陶瓷纤维“绒毛”状结构较少，拐角区域隔离膜的吸液能力不能显著提高，同时聚合物凝胶吸收电解液后发生溶胀产生的横向作用力较小，对拐角区域隔离膜的保液能力变差。
第三方面，本申请提供一种电池模组，其中，包括本申请第二方面的锂离子电池。
第四方面，本申请提供一种电池包，其中，包括本申请第二方面的锂离子电池或者本申请第三方面的电池模组。
第五方面，本申请提供一种用电装置，其包括本申请第二方面的锂离子电池或本申请第三方面的电池模组或本申请第四方面的电池包；其中，锂离子电池或电池模组或电池包用作用电装置的电源或能量存储单元。
本申请的锂离子电池、电池模组、电池包和用电装置包括本申请第一方面的隔离膜，因而至少具有与上述锂离子电池相同或类似的技术效果。
附图说明
图1是根据本申请一具体实施方式的电芯的正视图；
图2是根据本申请一具体实施方式的电芯的侧视图；
图3是根据本申请一具体实施方式的隔离膜非拐角区域的层状结构示意图；
图4是根据本申请一具体实施方式的隔离膜拐角区域的层状结构示意图；
图5是根据本申请一具体实施方式的隔离膜拐角区域的示意图；
图6是根据本申请一具体实施方式的隔离膜拐角区域的示意图；
图7是根据本申请一具体实施方式的隔离膜拐角区域的示意图；
图8是根据本申请一具体实施方式的隔离膜拐角区域的示意图；
图9是根据本申请一具体实施方式的锂离子电池的立体图；
图10是图9所示锂离子电池的分解图；
图11是根据本申请一具体实施方式的电池模组的立体图；
图12是根据本申请一具体实施方式的电池包的立体图；
图13是图12所示电池包的分解图；
图14是本申请一具体实施方式的用电装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1 电池包、
2 上箱体、
3 下箱体、
4 电池模组、
5 二次电池、
51 壳体、
52 电极组件、
53 顶盖组件、
54S1 隔离膜非拐角区域、
54S2 隔离膜拐角区域、
541 多孔基材、
542 第一涂层、
543 第二涂层、
544 第三涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本申请。应理解，这些具体实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
电池隔离膜
本申请的第一方面提供一种电池隔离膜，包括：多孔基材；第一涂层，所述第一涂层设置于所述多孔基材的至少一个表面，所述第一涂层包括无机颗粒和粘结剂；第二涂层，所述第二涂层设置于所述第一涂层的至少一部分表面，所述第二涂层包括陶瓷纤维；第三涂层，所述第三涂层设置于所述第二涂层的至少一部分表面，所述第三涂层包括聚合物凝胶。
在本申请的实施方式中，隔离膜包括非拐角区域和拐角区域。图1为本申请部分实施方式的电芯的正视图，图1示出了隔离膜非拐角区域54S1；图2为本申请部分实施方式的电芯的侧视图，图2示出了隔离膜拐角区域54S2。
进一步的，图3示出了隔离膜非拐角区域的层状结构示意图。如图3所示，隔离膜的非拐角区域S1包括多孔基材541、以及设置于多孔基材541至少一个表面的第一涂层542，该第一涂层542可以为现有技术中隔离膜表面的各种常规涂层，例如，第一涂层542可以包括无机颗粒和粘结剂，第一涂层542还可以进一步包括其他功能性组份。
图4示出了隔离膜拐角区域的层状结构示意图。如图4所示，隔离膜的拐角区域S2在多孔基材541、设置于多孔基材541至少一个表面的第一涂层542的基础上，还包括设置于第一涂层542的至少一部分表面的第二涂层543、以及设置于第二涂层543的至少一部分表面的第三涂层544，其中，第二涂层543包括陶瓷纤维，第三涂层544包括聚合物凝胶。
可见，本申请的实施方式提供了一种分区域涂层的隔离膜，在隔离膜拐角区域的第一涂层基础上，增设了第二涂层、第三涂层。在第二涂层中，陶瓷纤维因具有类似“绒毛”状结构，具有一定柔性和弹性，可以加强隔离膜的吸液能力；在第三涂层中，聚合物凝胶具有微孔结构，吸收电解液后溶胀产生横向作用力压靠极片，可改善隔离膜保液难造成电解液不足的情况。因而，本申请实施方式的隔离膜，能有效改善电芯因拐角区域电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良的情况，降低电芯局部析锂的风险，提高电芯的循环寿命。
在本申请的部分实施方式中，第二涂层、第三涂层也可增设在隔离膜非拐角区域的第一涂层表面，达到改善电芯任何局部区域电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良的情况。
在本申请的部分实施方式中，第二涂层可以覆盖第一涂层的全部表面，也可以覆盖第一涂层的部分表面。
在本申请的部分实施方式中，第二涂层的设置区域可以为一个或多个。当第二涂层的设置区域为多个时，所述多个第二涂层的设置区域间隔分布于所述第一涂层的至少一部分表面；可选的，所述多个第二涂层的设置区域均匀地间隔分布于所述第一涂层的至少一部分表面。
在本申请的部分实施方式中，所述第三涂层的设置区域为一个或多个。当第三涂层的设置区域为多个时，所述多个第三涂层间隔分布于所述第二涂层的至少一部分表面；可选的，所述多个第三涂层的设置区域均匀地间隔分布于所述第二涂层的至少一部分表面。
多个间隔分布的第二涂层、第三涂层可更有效地解决隔离膜局部区域电解液不足或分布不均匀问题，同时也能控制电芯的重量及成本，提高电池的能量密度。
图5～图8为根据本申请部分具体实施方式的隔离膜拐角区域的示意图。
图5中，第二涂层543覆盖第一涂层(图中未示出)的全部表面，第三涂层544覆盖第二涂层543的部分表面，第二涂层543和第三涂层544的设置区域均为一个。
图6中，第二涂层543覆盖第一涂层542的部分表面，第三涂层544覆盖第二涂层543的部分表面，第二涂层543和第三涂层544的设置区域均为一个。
图7中，第二涂层543覆盖第一涂层(图中未示出)的全部表面，第三涂层544的设置区域为多个，多个第三涂层544均匀间隔分布，覆盖第二涂层543的部分表面。
图8中，多个第二涂层543的设置区域间隔分布于第一涂层542的部分表面，第三涂层544则覆盖第二涂层543的部分表面。
需要说明的是，图5～图8所示出的仅仅是根据本申请实施方式的隔离膜拐角区域的几种示例，然第一涂层、第二涂层、第三涂层的形状可以是任意的，第一涂层、第二涂层、第三涂层的设置位置也不限于此。
另外，第一涂层、第二涂层、第三涂层的材料均可按照现有文献方法合成或可通过商业渠道购买，第一涂层、第二涂层、第三涂层可通过喷涂、光刻、印刷等本领域技术人员所熟知的方法制备。
在本申请的部分实施方式中，所述陶瓷纤维选自氧化铝陶瓷纤维、氧化硅陶瓷纤维、氮化硅陶瓷纤维、钛酸钡陶瓷纤维、氧化钛陶瓷纤维、氧化镁陶瓷纤维中的至少一种。其中，氧化铝陶瓷纤维或氧化硅陶瓷纤维价廉质轻，可以在保证陶瓷纤维起到吸液作用的同时，尽可能提高电池的能量密度。
在本申请的部分实施方式中，第二涂层的厚度为4μm～6μm。在本申请的另外一部分实施方式中，第二涂层的厚度为5μm～5.5μm。第二涂层过厚会导致电池能量密度偏低，同时电池阻抗会增大；而第二涂层厚度过薄，“绒毛”结构弹性较小，起不到一定的吸液效果。
在本申请的部分实施方式中，所述聚合物凝胶选自以下类型的聚合物凝胶中的至少一种：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈系、聚丙烯酸甲酯系、聚醚系和含氟聚合物系。上述聚合物凝胶层在起到保液作用的同时，还具有隔热性好、耐腐蚀性好、热稳定性好的特点。
在本申请的另外一部分实施方式中，所述聚合物凝胶选自以下类型的聚合物凝胶中的至少一种：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯。其中，聚酰亚胺不仅力学性能和耐热性能较好，而且电解液润湿性能好，可使隔离膜在保持较强的结构稳定性的同时具有较高的电解液保液能力。聚对苯二甲酸乙二醇酯的电绝缘性优良，电性能较好，耐疲劳性，耐摩擦性、尺寸稳定性都很好。聚苯乙烯易加工成型，价廉，隔热性、绝缘性和耐腐蚀性好。
在本申请的部分实施方式中，第三涂层的厚度为3μm～5μm；在本申请的另外一部分实施方式中，第三涂层的厚度为4μm～4.5μm。如第三涂层层过厚，不仅会降低电池能量密度，而且会造成电解液穿过该涂层的阻力增大，电解液不能很好地浸润整个隔离膜；而当第三涂层过薄，则会影响凝胶的保液能力，达不到较佳的保液效果。
在本申请的部分实施方式中，第三涂层中的聚合物凝胶颗粒的粒径为100nm～1000nm；在本申请的另外一部分实施方式中，第三涂层中的聚合物凝胶颗粒的粒径为300nm～500nm。聚合物凝胶颗粒的粒径过小，会使得隔离膜阻抗增大，锂离子通过隔离膜较困难，传输速度会降低；而聚合物凝胶颗粒的粒径过大，则会减小隔离膜对电解液的吸附能力，影响保液效果。
在本申请的部分实施方式中，第三涂层中的聚合物凝胶颗粒为实心颗粒或空心颗粒。当聚合物凝胶颗粒为空心颗粒，第三涂层吸收电解液后可产生的溶胀作用更充分，可更有效地改善隔离膜保液难造成电解液不足的情况。
在本申请的部分实施方式中，第一涂层中的无机颗粒包括以下无机颗粒中的至少一种：氧化硅、氧化铝、勃姆石、硫酸钡、氧化钙、氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化锆和氧化锡。
在本申请的部分实施方式中，第一涂层中的粘结剂包括以下粘接剂中的至少一种：苯乙烯、丙烯酸酯、醋酸乙烯、脂肪酸乙烯酯、环氧树脂、线性聚酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚硫橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚异丁烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、丁苯橡胶和明胶。
锂离子电池
第二方面，本申请提供一种锂离子电池，包括正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔离膜、电解液，其中，所述隔离膜为根据本申请第一方面的隔离膜。
在本申请的部分实施方式中，所述锂离子电池包括卷绕型电极组件，所述第二涂层设置于隔离膜拐角区域的第一涂层的至少一部分表面，因而可有效改善拐角区域电芯因电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良的情况，降低电芯局部析锂的风险，减缓容量的衰减，提高电芯的循环寿命和安全性能。
在本申请的部分实施方式中，多个所述第二涂层间隔设置于所述第一涂层的部分表面，多个所述第二涂层的设置区域的总面积占所述隔离膜拐角区域面积的88％～95％；在本申请的另外一部分实施方式中，多个所述第二涂层的总面积占所述隔离膜拐角区域面积的90％～92％。在这些实施方式中，第二涂层和第三涂层的形状、大小相同，依次层叠设于第一涂层的表面。当第二涂层的设置区域的总面积在隔离膜拐角区域面积中的占比过大，锂离子穿过隔离膜的阻力会增大，传输速率降低，电解液浸润隔离膜效果达不到最佳，整个锂电池阻抗也会增大；当第二涂层的设置区域的总面积在隔离膜拐角区域面积中的占比过小，陶瓷纤维“绒毛”状结构较少，拐角区域隔离膜的吸液能力不能显著提高，同时聚合物凝胶吸收电解液后发生溶胀产生的横向作用力较小，对拐角区域隔离膜的保液能力变差。
在本申请的部分实施方式中，锂离子电池的正极极片包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面上的正极活性物质层。正极极片中，所述正极活性物质层可设置在正极集流体的其中一个表面上也可以设置在正极集流体的两个表面上。
本领域技术人员可选择合适的方法制备所述正极极片，例如，可以包括如下步骤：将正极活性材料、粘结剂、导电剂混合形成浆料后，涂布于正极集流体上。
其中，正极活性物质的具体种类没有特别的限制，只要能满足嵌入、脱出锂离子即可。正极活性物质既可为层状结构材料，使锂离子在二维空间扩散，也可为尖晶石结构，使锂离子在三维空间扩散。可选地，正极活性物质可选自锂过渡金属氧化物、锂过渡金属氧化物添加其它过渡金属或非过渡金属或非金属得到的化合物中的一种或几种。具体地，正极活性物质可优选选自锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物、锂镍钴铝氧化物、橄榄石结构的含锂磷酸盐中的一种或几种。
其中，橄榄石结构的含锂磷酸盐的通式可为LiFe1-x-yMnxM’yPO4，0≤x≤1，0≤y<1，0≤x+y≤1，M’选自除Fe、Mn外的其它过渡金属元素或非过渡金属元素中的一种或几种，M’可选自Cr、Mg、Ti、Al、Zn、W、Nb、Zr中一种或几种。更可选地，橄榄石结构的含锂磷酸盐选自磷酸铁锂、磷酸锰锂、磷酸锰铁锂中的一种或几种。
锂过渡金属氧化物选自LiCoO2、LiMnO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiNixCoyMn1-x-yO2、LiNixCoyAl1-x-yO2、LiNixMn2-xO4中的一种或几种，其中0＜x＜1、0＜y＜1、0＜x+y＜1。可选地，锂过渡金属氧化物选自LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.8Co0.15Mn0.05O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi0.5Mn1.5O4、LiMn2O4中的一种或几种。
正极极片中，所述正极活性物质层还可包括导电剂以及粘结剂，其中导电剂以及粘结剂的种类和含量不受具体的限制，可根据实际需求进行选择。所述粘结剂通常包括含氟聚烯烃类粘结剂，相对于所述含氟聚烯烃类粘结剂来说，水通常是良溶剂，即所述含氟聚烯烃类粘结剂通常在水中具有良好的溶解性，例如，所述含氟聚烯烃类粘结剂可以是包括但不限于聚偏氟乙烯(PVDF)、偏氟乙烯共聚物或它们的改性(例如，羧酸、丙烯酸、丙烯腈等改性)衍生物等。在所述正极材料层中，粘结剂的质量百分比含量可以是由于粘结剂本身的导电性较差，因此粘结剂的用量不能过高。可选地，正极活性物质层中粘结剂的质量百分含量小于等于2wt％，以获得较低的极片阻抗。正极极片的导电剂可以是本领域各种适用于二次电池的导电剂，例如，可以是包括但不限于乙炔黑、导电炭黑、碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNT)、科琴黑等中的一种或多种的组合。导电剂的重量可以占正极材料层总质量的1wt％～10wt％。更可选地，正极极片中导电剂与正极活性物质的重量比大于等于1.5:95.5。
正极极片中，正极集流体的种类也不受具体的限制，可根据实际需求进行选择。正极集流体通常可以为层体，正极集流体通常是可以汇集电流的结构或零件。正极集流体可以是本领域各种适用于作为电化学储能装置正极集流体的材料。例如，正极集流体可以是包括但不限于金属箔，更具体可以是包括但不限于镍箔、铝箔。
在本申请的部分实施方式中，锂离子电池的负极极片通常包括负极集流体和位于负极集流体表面的负极活性材料层，所述负极活性材料层通常包括负极活性材料。所述负极活性材料可以是本领域各种适用于锂离子电池的负极活性材料的材料，例如，可以是包括但不限于石墨、软碳、硬碳、碳纤维、中间相碳微球、硅基材料、锡基材料、钛酸锂或其他能与锂形成合金的金属中的一种或多种的组合。其中，所述石墨可选自人造石墨、天然石墨以及改性石墨中的一种或多种的组合；所述硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅合金中的一种或多种的组合；所述锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物、锡合金中的一种或多种的组合。
所述负极集流体通常是汇集电流的结构或零件，所述负极集流体可以是本领域各种适用于作为锂离子电池负极集流体的材料，例如，所述负极集流体可以是包括但不限于金属箔，更具体可以是包括但不限于铜箔。此外，负极极片也可为锂片。
在本申请的部分实施方式中，锂离子电池的电解液可以是本领域各种适用于锂离子电池的电解液，例如，所述电解液通常包括电解质和溶剂，所述电解质通常可以包括锂盐，更具体的，所述锂盐可以是无机锂盐和/或有机锂盐，具体可以是包括但不限于LiPF6、LiBF4、LiN(SO2F)2(简写为LiFSI)、LiN(CF3SO2)2(简写为LiTFSI)、LiClO4、LiAsF6、LiB(C2O4)2(简写为LiBOB)、LiBF2C2O4(简写为LiDFOB)中的一种或多种的组合。再例如，所述电解质的浓度可以为0.8mol/L～1.5mol/L。所述溶剂可以是本领域各种适用于锂离子二次电池的电解液的溶剂，所述电解液的溶剂通常为非水溶剂，可以为有机溶剂，具体可以是包括但不限于碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸戊烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲乙酯或它们的卤代衍生物中的一种或多种的组合。
在本申请的部分实施方式中，制备所述锂离子电池的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，所述正极极片、隔离膜和负极极片各自都可以是层体，从而可以裁剪成目标尺寸后依次叠放，还可以卷绕至目标尺寸，以用于形成电芯，并可以进一步与电解液结合以形成锂离子电池。
图9示出了根据本申请一具体实施方式的锂离子电池的立体图，图10是图9所示锂离子电池的分解图。参看图9和图10，根据本申请的锂离子电池5(以下简称电池单体5)包括外包装51、电极组件52、顶盖组件53和电解液(未示出)。其中电极组件52收容于壳体51内，电极组件52的数量不受限制，可以为一个或多个。
需要说明的是，图9所示的电池单体5为罐型电池，但本申请并不限于此，电池单体5可以是袋型电池，即壳体51由金属塑膜替代且取消顶盖组件53。
电池模组
本申请的第三方面提供一种电池模组，其包括本申请第二方面所述的锂离子电池。在一些实施方式中，所述锂离子电池可以组装成电池模组，电池模组所含的锂离子电池的数量可以为多个，具体数量可根据电池模组的应用和容量来调节。图11是作为一个示例的电池模组4的立体图。参照图11，在电池模块4中，多个锂离子电池5可以是沿电池模组4的长度方向依次排列设置。当然，也可以按照其他任意的方式进行排布。进一步可以通过紧固件将该多个锂离子电池5进行固定。可选地，电池模组4还可以包括具有容纳空间的壳体，多个锂离子电池5容纳于该容纳空间。
电池包
本申请的第四方面提供一种电池包，其包括本申请第三方面所述的电池模组。在一些实施方式中，上述电池模组可以组装成电池包，电池包所含电池模组的数量可以根据电池包的应用和容量进行调节。图12是作为一个示例的电池包1的立体图，图13是图12所示电池包的分解图。参照图12和图13，在电池包1中可以包括电池箱和设置于电池箱中的多个电池模组4。电池箱包括上箱体2和下箱体3，上箱体2能够盖设于下箱体3，并形成用于容纳电池模块4的封闭空间。多个电池模组4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
用电装置
本申请的第五方面提供一种用电装置，其包括本申请第二方面所述的锂离子电池或本申请第三方面所述的电池模组或本申请第四方面所述的电池包。所述锂离子电池、或所述电池模组、或所述电池包可用作所述用电装置的电源或所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以但不限于是移动设备(例如手机、笔记本电脑等)、电动车辆(例如纯电动车、混合动力电动车、插电式混合动力电动车、电动自行车、电动踏板车、电动高尔夫球车、电动卡车等)、电气列车、船舶及卫星、储能***等。
所述用电装置可以根据其使用需求来选择锂离子电池、电池模组或电池包。
图14示出了根据本申请一具体实施方式的用电装置的示意图。该用电装置可以为纯电动车、混合动力电动车、或插电式混合动力电动车等。为了满足该用电装置对锂离子电池的高功率和高能量密度的需求，可以采用电池包或电池模组。
作为另一个示例的用电装置可以是手机、平板电脑、笔记本电脑等。该用电装置通常要求轻薄化，可以采用本申请的锂离子电池作为电源。
本领域技术人员可以理解：以上提到的本申请的不同实施例中对于电化学活性材料中的组分选择、组分含量和材料理化性能参数的各种限定或可选范围可以任意组合，其组合而得到的各种实施例仍然在本申请范围内，且视为本说明书公开内容的一部分。
除非特别规定，本说明书中涉及的各种参数具有本领域公知的通用含义，可以按本领域公知的方法进行测量。例如，可以按照在本申请的实施例中给出的方法进行测试。另外，各种可选实施例中给出的各种不同参数的可选范围和选项可以进行任意组合，由此得到的各种组合都视为在本申请的公开范围之内。
以下结合具体实施例进一步说明本申请的优势。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
隔离膜的制备
1.取本领域常规使用的7μm基膜，在其表面采用常规方法涂布第一涂层，第一涂层的厚度也采用常规选择，例如为2μm；
2.将陶瓷纤维、聚偏氟乙烯、丁苯橡胶(SBR)、水按照质量比40：1：9：50混合后得到陶瓷纤维浆料；
3.将聚合物凝胶、水、聚偏氟乙烯按照质量比35：60：5混合分散得到聚合物凝胶浆料；
4.采用凹版涂布的方式将陶瓷纤维涂布于第一涂层的表面，之后于40～50℃烘箱中进行干燥；
5.采用旋转喷涂的方式将聚合物凝胶涂在陶瓷纤维表面，之后于50～60℃烘箱中进行干燥，最终得到本申请所述隔离膜。
锂离子电池的制备
1、正极极片的制备
将正极活性材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(NCM523)、导电剂炭黑(Super P)、粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比96.2:2.7:1.1在适量的溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)中混合均匀，得到正极浆料，将正极浆料涂布于正极集流体铝箔上，通过烘干、冷压、分条、裁切等工序，得到正极极片。
2、负极极片的制备
将负极活性材料人造石墨、导电剂炭黑(Super P)、粘结剂丁苯橡胶(SBR)和羧甲基纤维素钠(CMC-Na)按质量比96.4:0.7:1.8:1.1在适量的溶剂去离子水中混合均匀，得到负极浆料，将负极浆料涂布于负极集流体铜箔上，通过烘干、冷压、分条、裁切等工序，得到负极极片。
3、隔离膜
隔离膜采用本申请实施例及对比例所制备的隔离膜。
4、电解液的制备
将碳酸亚乙酯(EC)和碳酸甲乙酯(EMC)按质量比30:70进行混合，得到有机溶剂，将充分干燥的电解质盐LiPF6溶解于上述混合溶剂中，电解质盐的浓度为1.0mol/L，混合均匀后获得电解液。
5、锂离子电池的制备
将正极极片、隔离膜、负极极片按顺序叠好，使隔离膜处于正、负极极片之间起到隔离的作用，然后卷绕得到电极组件；将电极组件置于外包装中，将上述制备好的电解液注入到干燥后的锂离子电池中，经过真空封装、静置、化成、整形等工序，获得二次电池。
按照上述方法制备实施例1～22、对比例1～12的隔离膜及锂离子电池。
电池性能测试
1、循环1500次容量和容量保持率：
循环性能测试：25℃，1C/1C，循环1500次。
Figure BDA0003145040560000171
2、电芯析锂：
将完成测试的电池进行拆解，观察界面析锂情况。针对拐角处析锂情况对析锂程度进行划分，以此来评估本申请所述隔离膜对电芯拐角析锂的改善效果。划分依据为拐角析锂的面积占拐角区域面积的百分比(A)。
Figure BDA0003145040560000172
根据析锂情况将析锂程度进行划分如下表(析锂程度：Ⅰ＜Ⅱ＜Ⅲ＜Ⅳ)，
表1析锂程度划分表
析锂面积占比 析锂程度划分
A＜0.3％ Ⅰ
0.3％≤A＜1％ Ⅱ
1％≤A≤3％ Ⅲ
A≥3％ Ⅳ
实施例和对比例的参数及检测结果
实施例1～30、对比例1～4的参数和性能检测数据如表2所示。
表2实施例及对比例的参数和性能检测数据
Figure BDA0003145040560000181
实施例1～6示出了第二涂层的厚度对技术效果的影响。第二涂层的厚度可以为4μm～6μm；可选的，第二涂层的厚度为5μm～5.5μm。当第二涂层的厚度超过6μm，可导致电池能量密度偏低，同时电池阻抗会增大；而当第二涂层层厚度小于4μm，则“绒毛”结构弹性较小，起不到很好的吸液效果。
实施例3、7-10示出了第三涂层包括不同种类聚合物凝胶的例子。将聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯酸甲酯等聚合物凝胶应用于第三涂层中，均可实现较佳的技术效果，电池循环1500次容量及容量保持率在较高水平，且不易发生析锂。其中，聚酰亚胺不仅力学性能和耐热性能较好，而且电解液润湿性能好，可使隔离膜在保持较强的结构稳定性的同时具有较高的电解液保液能力，为较佳选择。
实施例3、11-15示出了第三涂层的厚度对技术效果的影响。第三涂层的厚度可以为3μm～5μm，可选的，第三涂层的厚度可以为4μm～4.5μm。当第三涂层的厚度超过5μm，可导致电池能量密度有所降低，而且电解液穿过该涂层的阻力增大，电解液不能很好地浸润整个隔离膜。而当第三涂层的厚度小于3μm，则对凝胶的保液能力有所影响，达不到较佳的保液效果。
实施例3、16-20，示出了第三涂层中的聚合物凝胶颗粒的粒径对技术效果的影响。第三涂层中的聚合物凝胶颗粒的粒径可以为100nm～1000nm；可选的，第三涂层中的聚合物凝胶颗粒的粒径为300nm～500nm。聚合物凝胶颗粒的粒径小于100nm，会使得隔离膜阻抗有所增大，锂离子通过隔离膜出现一定的困难，传输速度有所降低；而聚合物凝胶颗粒的粒径大于1000nm，则会减小隔离膜对电解液的吸附能力，对保液效果存在一定的不利影响。
实施例3、21示出凝胶颗粒空心/实心对于技术效果的影响。当聚合物凝胶颗粒为空心颗粒，聚合物凝胶层吸收电解液后可产生的溶胀作用更显著，可更有效地改善隔离膜保液难造成电解液不足的情况。
实施例3、22-26示出了第二涂层的总面积相对于隔离膜拐角区域面积的占比对技术效果的影响。第二涂层的设置区域的总面积可占所述隔离膜拐角区域面积的88％～95％，可选的，多个所述第二涂层的总面积可占所述隔离膜拐角区域面积的90％～92％。当第二涂层的总面积相对于隔离膜拐角区域面积的占比大于95％，锂离子穿过隔离膜的阻力增大，传输速率降低，电解液浸润隔离膜效果达不到最佳，整个锂电池阻抗也会增大；当第二涂层的总面积相对于隔离膜拐角区域面积的占比小于88％，陶瓷纤维“绒毛”状结构较少，拐角区域隔离膜的吸液能力不能显著提高，同时聚合物凝胶吸收电解液后发生溶胀产生的横向作用力较小，对拐角区域隔离膜的保液能力变差。
实施例3、27示出了增设的第二涂层、第三涂层的分布情况对技术效果的影响。多个间隔分布的第二涂层及第三涂层，可更为有效地解决电解液不足或分布不均匀问题的同时，控制电芯的重量及成本，提高电池的能量密度。
实施例28-30示出了另外一些不同种类的陶瓷纤维和聚合物凝胶作为第二涂层和第三涂层的材料，应用于本申请实施方式中的例子，都可以实现本发明的技术效果。
对比例1的隔离膜拐角区域表面仅设有第一涂层；对比例2的隔离膜拐角区域表面仅设有第一涂层和第二涂层；对比例3的隔离膜拐角区域表面仅设有第一涂层和第三涂层；对比例4与实施例3的区别在于将第二涂层和第三涂层的位置进行了互换。对比例1-4的循环性能和容量保持率相对于实施例均呈现明显不足，析锂情况加重。从对比例和实施例的数据对比可知，本发明提供的隔离膜可有效改善电芯因拐角区域电解液不足或分布不均匀造成的浸润不良，降低电芯局部析锂的风险，提高电池的能量密度，延长电芯的循环寿命。
根据上述说明书的揭示和教导，本领域技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本申请并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本申请的一些修改和变更也应当落入本申请的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本申请构成任何限制。

Claims (15)

1.一种隔离膜，其特征在于，包括：
多孔基材；
第一涂层，所述第一涂层设置于所述多孔基材的至少一个表面，所述第一涂层包括无机颗粒和粘结剂；
第二涂层，所述第二涂层设置于所述第一涂层的至少一部分表面，所述第二涂层包括陶瓷纤维；
第三涂层，所述第三涂层设置于所述第二涂层的至少一部分表面，所述第三涂层包括聚合物凝胶。
2.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，
所述第二涂层的设置区域为一个或多个，所述多个第二涂层间隔分布于所述第一涂层的至少一部分表面；和/或，
所述第三涂层的设置区域为一个或多个，所述多个第三涂层间隔分布于所述第二涂层的至少一部分表面。
3.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述陶瓷纤维选自氧化铝陶瓷纤维、氧化硅陶瓷纤维、氮化硅陶瓷纤维、钛酸钡陶瓷纤维、氧化钛陶瓷纤维、氧化镁陶瓷纤维中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述第二涂层的厚度为4μm～6μm，可选的，所述第二涂层的厚度为5μm～5.5μm。
5.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述聚合物凝胶选自以下类型的聚合物凝胶中的至少一种：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯、聚丙烯腈系、聚丙烯酸甲酯系、聚醚系和含氟聚合物系；
可选的，所述聚合物凝胶选自以下类型的聚合物凝胶中的至少一种：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚苯乙烯。
6.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述第三涂层的厚度为3μm～5μm，可选的，所述第三涂层的厚度为4μm～4.5μm。
7.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述第三涂层中的聚合物凝胶的颗粒粒径为100nm～1000nm，可选的，所述第三涂层中的聚合物凝胶的颗粒粒径为300nm～500nm。
8.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述第三涂层中的聚合物凝胶颗粒为实心颗粒或空心颗粒。
9.根据权利要求1所述的隔离膜，其特征在于，所述第一涂层中的无机颗粒包括以下无机颗粒中的至少一种：氧化硅、氧化铝、勃姆石、硫酸钡、氧化钙、氧化钛、氧化锌、氧化镁、氧化锆和氧化锡；
所述第一涂层中的粘结剂包括以下粘接剂中的至少一种：苯乙烯、丙烯酸酯、醋酸乙烯、脂肪酸乙烯酯、环氧树脂、线性聚酯、聚偏氟乙烯、聚苯乙烯、聚硫橡胶、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、聚氨酯、聚异丁烯、聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚丙烯腈、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、丁苯橡胶和明胶。
10.一种锂离子电池，包括：
正极极片、负极极片、间隔于正极极片和负极极片之间的隔离膜、电解液，
其中，所述隔离膜为根据权利要求1至9中任一项所述的隔离膜。
11.根据权利要求10所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括卷绕型电极组件，所述第二涂层至少设置于隔离膜拐角区域的第一涂层的至少一部分表面。
12.根据权利11所述的锂离子电池，其特征在于，多个所述第二涂层间隔设置于所述第一涂层的部分表面，
多个所述第二涂层的总面积占所述隔离膜拐角区域面积的88％～95％；可选的，多个所述第二涂层的总面积占所述隔离膜拐角区域面积的90％～92％。
13.一种电池模组，其特征在于，包括根据权利要求10所述的锂离子电池。
14.一种电池包，其特征在于，包括根据权利要求10所述的锂离子电池或根据权利要求13所述的电池模组。
15.一种用电装置，其特征在于，包括根据权利要求10所述的锂离子电池、或根据权利要求13所述的电池模组、或根据权利要求14所述的电池包，所述锂离子电池或所述电池模组或所述电池包用作所述用电装置的电源或所述用电装置的能量存储单元。
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