一种锂离子电池及其隔膜

摘要

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种具有粗糙表面的隔膜，所述隔膜的至少一面为经过粗化处理的粗糙表面，所述粗糙表面的粗糙度为0.5～5μm。相对于现有技术，本发明的隔膜具有较大的表面的摩擦系数和静摩擦力，在卷绕时就不会因卷绕机的卷芯与隔膜之间相对滑动而出现相对位置的偏移，不仅提高宽度一致性和卷绕对齐度，改善了电芯的变形问题，同时还由于表界面性质的变化提升了电芯的硬度。此外，本发明还提供了一种包含该隔膜的锂离子电池。

权利要求

1.一种锂离子电池用隔膜，所述隔膜的至少一面为经过粗化处理的粗糙表面，所述粗糙表面的粗糙度为0.5~5μm，其特征在于：所述粗化处理是将隔膜浸渍在诱导体溶液中进行化学处理，所述诱导体溶液为将多价醇界面活性剂诱导体溶于乙酸乙酯和丙酮得到的溶液。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜，其特征在于：所述粗糙表面的粗糙度为

1~3μm。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜，其特征在于：所述多价醇界面活性剂诱导体的质量分数为1.0~5%，乙酸乙酯和丙酮的质量比为0.4：1~5：1。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜，其特征在于：所述隔膜的基体材料为聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）与聚乙烯（PE）的复合隔膜和聚酰亚胺中的一种。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池用隔膜，其特征在于：所述隔膜的厚度为

10~30μm，拉伸强度为20~100kPa，孔隙率为30~50% 。

6.一种锂离子电池，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膜，以及电解液，其特征在于：所述隔膜为权利要求1至5任一项所述的锂离子电池用隔膜。

说明书

一种锂离子电池及其隔膜

技术领域

[0001] 本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种具有粗糙表面的隔膜及包含该隔膜的锂离子电池。

背景技术

[0002] 随着工业的进步和社会的发展，自然资源特别是不可循环利用的难再生资源的过度开采与使用，煤和石油等自然资源很快就会消耗殆尽，在这种背景下，人们正在不断寻找新的绿色可替代能源。

[0003] 随着能源替代产品的不断进步与发展，锂离子电池逐渐成为人们关注的热点。锂离子电池是一种可多次重复利用的无污染的绿色二次能源，符合环保和可持续发展的要求，因而越来越受到业界人士的青睐，有着广阔的应用前景。

[0004] 但是随着近几年锂离子电池制造技术的飞速发展，人们对电池性能和外观的要求也越来越高。在生产过程中，由于受到材料和工艺技术的限制，对生产制造企业来说，电芯变形和电芯尺寸的一致性不佳，以及电芯的硬度不足和电芯的安全性不够等等都是亟待解决的问题。

[0005] 锂离子电池一般包括电芯和容纳所述电芯的包装壳，以及灌注在所述包装壳内的电解液，所述电芯包括正极、负极，以及间隔于正极和负极之间的隔膜。其中，正极、隔膜和负极一般通过卷绕工艺或叠片工艺制成电芯。

[0006] 为了解决上述问题，我们进行了大量的试验工作，结果发现，隔膜与正负极膜片的界面是问题的关键所在：由于普通的隔膜表面相对光滑，在卷绕时，就会导致隔膜与极片(包括正极片和负极片)在宽度与长度方向上的微小错位，进而造成卷绕后电池的尺寸不合格，而且在灌注电解液后相当于给隔膜和极片间加入了润滑剂，隔膜与膜片的相对滑动就会使电芯变形或变软，甚至出现电芯内短路，导致安全隐患。

[0007] 有鉴于此，确有必要提供一种能够改善电芯变形、电芯硬度不足和尺寸一致性不佳等问题、并能改善电池安全性能的隔膜以及包含该隔膜的锂离子电池。

发明内容

[0008] 本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种能够改善电芯变形、电芯硬度不足和尺寸一致性不佳等问题、并能改善电芯安全性能的隔膜。

[0009] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0010] 一种锂离子电池用隔膜，所述隔膜的至少一面为经过粗化处理的粗糙表面，所述粗糙表面的粗糙度为0.5～5μm，当隔膜的粗糙度小于0.5μm时，改善效果不明显；当隔膜的粗糙度大于5μm时，因隔膜的粗糙度太大，抽针时会因摩擦阻力增大而变得困难，需要改造加工件或在卷针上开槽，减小隔膜与卷针的接触面积，并在下料时通气，避免卷针在抽出时，大气压对隔膜与卷针产生的压力，增加了工序上的麻烦。

[0011] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述粗糙表面的粗糙度为1～3μm。

[0012] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述粗化处理是用带有预定纹路的磨砂机构在所述隔膜的至少一个表面进行摩擦处理。该方法的优点在于原理简单，操作方便。

[0013] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述预定纹路为经过抛光处理的细密球冠状纹路，所述球冠的直径小于0.5mm。球冠直径过大会造成隔膜破损，而且破坏了其处理的连续性。

[0014] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述粗化处理是将隔膜浸渍在诱导体溶液中进行化学处理，这种方法的优势在于处理效果更均匀，而且可以消除隔膜本身的静电。

[0015] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述诱导体溶液为将多价醇界面活性剂诱导体FS-202溶于乙酸乙酯和丙酮得到的溶液。

[0016] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述多价醇界面活性剂诱导体的质量分数为1.0～5.0％，乙酸乙酯和丙酮的质量比为0.4∶1～5∶1。

[0017] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述隔膜的基体材料为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)与聚乙烯(PE)的复合隔膜、聚酰亚胺和非织造物中的一种。

[0018] 作为本发明锂离子电池用隔膜的一种改进，所述隔膜的厚度为10～30μm，拉伸强度为20～100kPa，孔隙率为30～50％，

[0019] 相对于现有技术，本发明至少具有以下几方面的优点：

[0020] 第一，将所述隔膜用于锂离子二次电池卷绕时，卷针与隔膜之间的摩擦力增大，不易产生相对滑动，从而保证了卷绕尺寸的一致性和卷绕外观效果；

[0021] 第二，使用所述隔膜作为正极与负极的“电子隔板”——其两面分别与正负极极片相连，因其表面蓬松粗糙化程度提高，使得其与正负极极片贴合度更好，静摩擦力提高，所以正负极极片与隔膜不会产生相对的滑动错位，从而保证了其制作出的电池不易变形，大大降低了电芯的变形率；

[0022] 第三，由于正负极极片与隔膜不会产生相对的滑动错位，从而使其接触表面更加稳定，不仅提升了电芯的硬度，而且避免了正负极之间接触导致的安全问题。

[0023] 第四，通过粗化处理的隔膜仅仅改变了其表界面性质，而原有隔膜的机械强度、透气性能、孔径大小及其排布等并未改变，因此，并不会影响电池的电性能。相反，甚至因为其表面蓬松粗糙，增加了其对电解液的吸收能力与保持能力，利于提高锂离子电池的循环性能。

[0024] 第五，本发明实施方法多样，且工艺简单，成本低廉。

[0025] 本发明的另一个目的在于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膜，以及电解液，所述隔膜为上述段落所述的隔膜。

[0026] 相对于现有技术，本发明锂离子电池由于其隔膜表面具有较大的粗糙度，使得隔膜与正负极极片不会产生相对的滑动错位，使其接触表面更加稳定，不仅提升了电芯的硬度，也提升了电池的尺寸一致性和安全性能，改善了电池的变形问题。此外，由于蓬松的隔膜表面具有储液功能，因此本发明锂离子电池具有较好的循环性能。

附图说明

[0027] 下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行详细说明，其中：

[0028] 图1为本发明对比例1中的隔膜的扫描电镜(SEM)表面形貌图；

[0029] 图2为本发明实施例1中的隔膜的扫描电镜(SEM)表面形貌图；

[0030] 图3为本发明对比例1至3和实施例1至3的电池的硬度测试曲线图；

[0031] 图4为本发明对比例1至3和实施例1至3的电池的常温循环性能测试曲线图；

[0032] 图5为本发明对比例1至3和实施例1至3的电池的高温(45℃)循环性能测试曲线图。

具体实施方式

[0033] 以下结合说明书附图和具体实施例详细描述本发明，但是，本发明的实施例并不局限于此。

[0034] 对比例

[0035] 负极极片的制备：以石墨为负极活性材料，其重量含量为95％；以丁苯橡胶(SBR)为粘结剂，其重量含量为2％；以碳黑为导电剂，其重量含量为3％；将上述材料加入到去离子水中搅拌均匀制成负极浆料；将负极浆料均匀涂布在铜箔上，烘干压实后经裁片、焊接负极极耳，制得负极极片。

[0036] 正极极片的制备：以钴酸锂(LiCoO2)为正极活性材料，其重量含量为96％；以聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，其重量含量为2％；以碳黑为导电剂，其重量含量为2％；将上述材料加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌均匀制成正极浆料；将正极浆料均匀涂布在铝箔上，烘干压实后经裁片、焊接正极极耳，制得正极极片。

[0037] 隔膜的制备：以未经粗化处理的聚丙烯微孔膜为隔膜(厚度为10μm，拉伸强度为20kPa，孔隙率为30％)。对所得隔膜进行扫描电镜观察，可以发现该隔膜表面比较平滑，只存在少量的微小凸起(如图1所示)。用日本三丰(Mitutoyo)SJ-201表面粗糙度测试仪测得其表面粗糙度为0.1μm左右。

[0038] 电解液的制备：以浓度为1M的六氟磷酸锂(LiPF6)为锂盐，以碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物为溶剂，碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯的重量比为3∶7，再加入2％的电解液添加剂氟代碳酸乙烯酯(FEC)。

[0039] 锂离子电池的制备：将根据前述工艺制得的负极极片、正极极片、隔膜依次叠加后，通过卷绕工艺制得电芯，将电芯装入电池包装壳中，经陈化、化成、容量等后制得锂离子电池。

[0040] 对比例2

[0041] 与对比例1的不同之处在于选用的隔膜不同，以未经粗化处理的PP/PE/PP微孔膜为隔膜(厚度为30μm，拉伸强度为100kPa，孔隙率为50％)。对所得隔膜进行扫描电镜观察，可以发现该隔膜表面比较平滑，只存在少量的微小凸起。用日本三丰(Mitutoyo)SJ-201表面粗糙度测试仪测得其表面粗糙度为0.2μm左右。

[0042] 其余同对比例1，这里不再赘述。

[0043] 对比例3

[0044] 与对比例1的不同之处在于选用的隔膜不同，以未经粗化处理的非织造布聚对苯二甲酸乙二醇酯微孔膜为隔膜(厚度为15μm，拉伸强度为50kPa，孔隙率为40％)。对所得隔膜进行扫描电镜观察，可以发现该隔膜表面比较平滑，只存在少量的微小凸起。用日本三丰(Mitutoyo)SJ-201表面粗糙度测试仪测得其表面粗糙度为0.3μm左右。

[0045] 其余同对比例1，这里不再赘述。

[0046] 实施例1

[0047] 负极极片的制备：以石墨为负极活性材料，其重量含量为95％；以丁苯橡胶(SBR)为粘结剂，其重量含量为2％；以碳黑为导电剂，其重量含量为3％；将上述材料加入到去离子水中搅拌均匀制成负极浆料；将负极浆料均匀涂布在铜箔上，烘干压实后经裁片、焊接负极极耳，制得负极极片。

[0048] 正极极片的制备：以钴酸锂(LiCoO2)为正极活性材料，其重量含量为96％；以聚偏氟乙烯(PVDF)为粘结剂，其重量含量为2％；以碳黑为导电剂，其重量含量为2％；将上述材料加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌均匀制成正极浆料；将正极浆料均匀涂布在铝箔上，烘干压实后经裁片、焊接正极极耳，制得正极极片。

[0049] 具有粗糙表面隔膜的制备：

[0050] 第一步，磨砂辊的准备：磨砂辊的直径范围在30～120mm之间，且辊上布满经过抛光处理的细密球冠状纹路，其球冠直径小于0.5mm；

[0051] 第二步，具有粗糙表面的隔膜的制备：使用十个上述的磨砂辊组合成一个磨砂机构，该机构的每个辊上都备有压辊滚轮装置，以保证摩擦效果；接着，将待处理的PP/PE/PP隔膜(厚度为30μm，拉伸强度为100kPa，孔隙率为50％)按照S型的传带方式依次穿绕过所有滚轮，直至最后的收卷滚筒上；然后启动机器开始处理隔膜，其速度控制在10～15m/min，张力控制在5～10N/m之间。

[0052] 对所得隔膜进行扫描电镜观察，可以发现处理的隔膜表面存在有大量蓬松粗糙的微小凸起(如图2所示)。用(Mitutoyo)SJ-201表面粗糙度测试仪测得其表面粗糙度为4μm左右。

[0053] 电解液的制备：以浓度为1M的六氟磷酸锂(LiPF6)为锂盐，以碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物为溶剂，碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)的重量比为3∶7，再加入2％的电解液添加剂氟代碳酸乙烯酯(FEC)。

[0054] 锂离子电池的制备：将根据前述工艺制得的负极极片、正极极片、隔膜依次叠加后，通过卷绕工艺制得电芯，将电芯装入电池包装壳中，经陈化、化成、容量等后制得锂离子电池。

[0055] 实施例2

[0056] 与实施例1不同的是，有粗糙表面隔膜的制备：

[0057] 第一步，处理溶液的制备：将多价醇界面活性剂诱导体(起毛剂FS-202，乳白色液体)溶于乙酸乙酯和丙酮，诱导体的质量分数在1.0～5％之间，乙酸乙酯和丙酮的质量配比为0.4∶1～5∶1；

[0058] 第二步，浸渍法处理隔膜：将待处理的非织造布聚对苯二甲酸乙二醇酯隔膜(厚度为15μm，拉伸强度为50kPa，孔隙率为40％)置于盛有上述处理溶液的容器中，处理半小时后，取出隔膜，在湿度和温度可控的干燥箱中干燥后得到具有粗糙表面的隔膜。为了实现工业化，可以采取多缸连续浸渍，在每个缸的上方设置温度和湿度可控的干燥箱。

[0059] 对所得隔膜进行扫描电镜观察，可以发现处理的隔膜表面存在有大量蓬松粗糙的微小凸起。用日本三丰(Mitutoyo)SJ-201表面粗糙度测试仪测得其表面粗糙度为3μm左右。

[0060] 其余同实施例1，这里不再赘述。

[0061] 实施例3

[0062] 与实施例1不同的是具有粗糙表面隔膜的制备是通过利用高速粒子撞击隔膜(聚酰亚胺/聚丙烯/聚酰亚胺复合结构，其厚度为10μm，拉伸强度为20kPa，孔隙率为30％)，并辅以骚乱场的控制得到，其余同实施例1。

[0063] 对所得隔膜进行扫描电镜观察，可以发现处理的隔膜表面存在有较多蓬松粗糙的微小凸起。用日本三丰(Mitutoyo)SJ-201表面粗糙度测试仪测得其表面粗糙度为1μm左右。

[0064] 其余同实施例1，这里不再赘述。

[0065] 将对比例1至3和实施例1至3所得电池进行如下对比：

[0066] 一，对实施例1至3制备出的具有粗糙表面的隔膜与对比例1至3的隔膜卷绕成电芯的外观进行比较：

[0067] 将实施例1至3制备出的具有粗糙表面的隔膜与对比例1至3的隔膜在同一台卷绕机上进行卷绕，做成电芯，观察卷绕好的电芯外观，结果发现，表面蓬松粗糙的隔膜卷绕出的电芯尺寸一致性相对较好，卷绕出的外观效果更好。

[0068] 二，对实施例1至3制备出的具有粗糙表面的隔膜与对比例1的隔膜卷绕出的电芯的变形比率做统计：

[0069] 把实施例1至3制备出的具有粗糙表面的隔膜与对比例1的隔膜卷绕成电芯，从卷绕到做完容量测试，统计在此工序段之间的变形率，所得结果示于表1。

[0070] 表1为实施例1至3及对比例1的电芯变形率

[0071]

[0072] 由表1可知：表面经过粗化处理的隔膜可以有效改善电芯的变形。

[0073] 三，对实施例1至3制备的具有粗糙表面的隔膜与对比例1至3的隔膜卷绕成的电芯硬度进行对比：

[0074] 在电芯整形后从每组电芯中各随机抽取1个电芯，进行硬度测试，结果如图3所示。从图3的硬度测试曲线可以看出：表面经过蓬松粗糙化处理的隔膜制作的电池硬度相对较大。

[0075] 四，对实施例1至3制备出的具有粗糙表面的隔膜与对比例1至3的隔膜做成的电池的循环性能进行比较：

[0076] 对实施例1至3和对比例1至3分别做室温循环性能测试和高温45℃循环性能测试，测试结果分别如图4和图5所示。从图4和图5可以看出：

[0077] 首先，在室温下进行了800个循环后，容量都保持在85％以上，且实施例1至3制备出的粗糙隔膜做出的电芯循环性能稍微优于对比例1至3制作的电芯；

[0078] 其次，在高温45℃下进行了300个循环后，容量都保持在95％以上，且实施例1至3制备出的粗糙隔膜做出的电芯循环性能并不比对比例1至3的隔膜做出的电芯差。

[0079] 综上所述，经过粗化处理的隔膜由于其较大的摩擦系数，使得卷针与隔膜之间的摩擦力增大，不易产生相对滑动，从而保证了卷绕尺寸的一致性和卷绕外观效果；而且使用所述隔膜作为正极与负极的“电子隔板”——其两面分别与正负极极片相连，因其表面蓬松粗糙化程度提高，使得其与正负极极片贴合度更好，静摩擦力提高，所以正负极极片与隔膜不会产生相对的滑动错位，从而保证了其制作出的电池不易变形，大大降低了电芯的变形率，同时由于正负极极片与隔膜不会产生相对的滑动错位，从而提升了电芯的硬度，避免了正负极之间接触导致的安全问题。此外，因为其表面蓬松粗糙，增加了其对电解液的吸收能力与保持能力，利于提高锂离子电池的循环性能。

[0080] 需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明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，并不对本发明构成任何限制。