一种复合隔膜以及含有该复合隔膜的动力钛酸锂电池

摘要

本发明涉及钛酸锂电池技术领域，公开了一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，中间层为隔膜基材（1），所述隔膜基材为高保湿薄膜或高保湿无纺布，所述高保湿薄膜或高保湿无纺布的材料为复合有纳米海泡石的聚丙烯、聚乙烯或饱和聚酯，复合隔膜的上层（2）与下层（3）为无机物涂层。所述复合隔膜上均匀分布有孔径为100‑300纳米的微孔。该复合隔膜耐高温，安全性高，浸润性能和保湿性能好。一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，复合隔膜呈Z字型折叠成若干层，每两层复合隔膜（4）之间设有正极片（5）或负极片（6），正极片与负极片相互间隔分布，电解液填充于隔膜与正极片、负极片的间隙之中。该电池安全性高、循环性能和倍率性能突出。

权利要求

1.一种复合隔膜，其特征在于：为具有三层结构的复合膜，其中中间层为隔膜基材(1)，所述隔膜基材(1)为高保湿薄膜或高保湿无纺布，所述高保湿薄膜或高保湿无纺布的材料为复合有纳米海泡石的聚丙烯、聚乙烯或饱和聚酯，复合隔膜的上层(2)与下层(3)为无机物涂层；

所述复合隔膜上均匀分布有孔径为100-300纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为35％-

65％；

所述高保湿薄膜或高保湿无纺布中纳米海泡石的质量含量为10-30wt％。

2.如权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述隔膜基材(1)的厚度为10-30微米。

3.如权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述无机物涂层为二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅或三氧化二铝的一种或几种。

4.如权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述无机物涂层的厚度为1-5微米。

5.一种含有如权利要求1-4之一所述的复合隔膜的动力钛酸锂电池，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片(5)、负极片(6)、复合隔膜(4)和电解液，其特征在于，所述复合隔膜(4)呈Z字型折叠成若干层，每两层复合隔膜之间设有正极片(5)或负极片(6)，正极片(5)与负极片(6)相互间隔分布，所述电解液填充于复合隔膜(4)与正极片(5)、负极片(6)的间隙之中，正极片(5)和负极片(6)的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

说明书

一种复合隔膜以及含有该复合隔膜的动力钛酸锂电池

技术领域

[0001] 本发明涉及动力钛酸锂电池技术领域，尤其涉及一种复合隔膜以及含有该复合隔膜的动力钛酸锂电池。

背景技术

[0002] 钛酸锂电池因其出色的循环性能和倍率性能，近年来得到了飞速发展，但钛酸锂电池的安全性一直是制约其发展的关键问题。电池中隔膜正是关乎电池安全性的关键组成部分。隔膜是具有多孔结构的电绝缘性薄膜，作用是隔离电池正极和负极，并使电池内的电子不能自由穿过，但同时又能够让离子在正负极间自由通过。因此电池隔膜需要具有优良的电绝缘性、高离子通过率、良好的机械性能、耐溶剂性能、耐高温性能、高润湿性能等。

[0003] 目前钛酸锂电池隔膜的材料主要为具有微孔结构的聚烯烃薄膜，聚烯烃隔膜的热闭合效应对电池的安全性起到了关键作用，当电池内部温度升高，隔膜中的低熔点聚合物会首先出现熔融而闭合隔膜中的微孔，使得离子通道被阻断，可以防止由于过热发生反应而导致爆炸。但是实际上，单层聚合物的隔膜材料，当达到热闭合温度时，虽然熔融闭合了孔洞，但却由于外部环境，温度还会出现进一步升高的情况，使得整个隔膜材料出现破坏，从而发生爆炸。

[0004] 为了解决这种问题，多层复合的隔膜得到了发展，授权公告号CN 203910894 U，授权公告日2014年10月29日的中国专利公开了一种耐温性安全锂离子电池隔膜，包括聚烯烃层和复合在聚烯烃层上、下表面的第一陶瓷涂层，聚烯烃层上均匀设有通孔，通孔内壁上设有第二陶瓷涂层，孔隙率为40-55％；聚烯烃层厚为6-30微米；第一陶瓷涂层厚为1-10微米。采用该电池隔膜制造的锂离子电池具有较好的安全性；该锂离子电池隔膜孔隙率高，具有很好的力学性能和耐温性能。

[0005] 但该专利也存在不足之处：在聚烯烃层的上下表面涂覆了陶瓷涂层后，在一定程度上影响了隔膜对电解液的润湿性，从而进一步影响电池的循环性能和倍率性能。

[0006] 海泡石是一种纤维状的粘土矿物，内部具有多孔结构，因为具有优异的吸附性能，此外还拥有良好的隔热、绝缘、抗腐蚀、热稳定性能。

发明内容

[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种安全性高、润湿性优异、耐温性和力学性能好的复合隔膜以及含有该隔膜的动力钛酸锂电池，该电池有着出色的循环性能、倍率性能和安全性。

[0008] 本发明的具体技术方案为：一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中中间层为隔膜基材，所述隔膜基材为高保湿薄膜或高保湿无纺布，所述高保湿薄膜或高保湿无纺布的材料为复合有纳米海泡石的聚丙烯、聚乙烯或饱和聚酯，复合隔膜的上层与下层为无机物涂层。

[0009] 所述复合隔膜上均匀分布有孔径为100-300纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为35％-65％。

[0010] 复合隔膜的中间层的材料为复合有纳米海泡石的聚丙烯、聚乙烯或饱和聚酯，聚丙烯、聚乙烯或饱和聚酯是常用的电池隔膜材料，价格低廉，具有良好的热闭合效应，且具有一定的机械强度，无机物涂层能够提高隔膜的抗拉伸强度以及耐热性能，即使电池内部温度升高到一定程度，由于涂层的保护，隔膜基材也不会被完全破坏而导致电池短路，增加了电池的安全性能，但是隔膜基材厚度较薄时，对电解液的浸润性能和吸湿性能比较一般，如果再在其上下表面再涂覆有涂层，在一定程度上阻隔了电解液通过隔膜基材，浸润性能和吸湿性能进一步下降，会增加电池内阻，影响电池性能。而在隔膜基材中复合了纳米海泡石后，可以解决这一问题。海泡石是一种纤维状的粘土矿物，内部具有多孔结构具有及其优异的吸附性能，电解液接触隔膜基材后，能够快速扩散到微孔结构中，从而被迅速吸收，如此，隔膜的离子通过率大大提高，电池内阻减小，其循环性能和倍率性能也得到提升，此外海泡石还拥有良好的隔热、绝缘、抗腐蚀、热稳定性能，进一步增强了电池的安全性。

[0011] 作为优选，所述隔膜基材的厚度为10-30微米。隔膜基材不宜太薄，否则影响其对电解液的保湿性和机械强度，隔膜基材也不宜过厚，否则太厚会占有过多体积，影响电解液的储存容量。

[0012] 作为优选，所述高保湿薄膜或高保湿无纺布中纳米海泡石的质量含量为10-30wt％。

[0013] 作为优选，所述无机物涂层为二氧化锆、二氧化钛、二氧化硅或三氧化二铝的一种或几种。

[0014] 作为优选，所述无机物涂层的厚度为1-5微米。无机物涂层不宜过厚，否则容易影响隔膜的离子通过率和对电解液的浸润性能。

[0015] 本发明还提供了一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片、负极片、复合隔膜和电解液，所述复合隔膜呈Z字型折叠成若干层，每两层复合隔膜之间设有正极片或负极片，正极片与负极片相互间隔分布，所述电解液填充于复合隔膜与正极片、负极片的间隙之中，正极片和负极片的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

[0016] 与现有技术对比，本发明的有益效果是：本发明提供的电池复合隔膜，具有三层复合结构，上层和下层的无机物涂层能够加强隔膜的耐温性和抗拉伸性能，安全性好；中间层对电解液具有优异的浸润性能和保湿性能，解决了上下两涂层对中间层浸润性能和保湿性能影响的问题。含有该复合隔膜的动力钛酸锂电池，安全性高、循环性能和倍率性能突出。

附图说明

[0017] 图1是本发明中复合隔膜的一种结构示意图；

[0018] 图2是本发明中动力钛酸锂电池内部的一种结构示意图。

[0019] 附图标记为：隔膜基材1、隔膜上层2、隔膜下层3、复合隔膜4、正极片5、负极片6。

具体实施方式

[0020] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

[0021] 实施例1

[0022] 如图1所示：一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为20微米的隔膜基材1，所述隔膜基材1为复合有纳米海泡石的聚丙烯薄膜，其中纳米海泡石的质量含量为20wt％。

[0023] 复合隔膜的上层2与下层3为厚度为3微米的二氧化锆涂层。复合隔膜上均匀分布有孔径为200纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为50％。

[0024] 如图2所示，一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，容量为20Ah，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片5、负极片6、复合隔膜4和电解液，所述复合隔膜4呈Z字型折叠成八层，每两层复合隔膜4之间设有正极片5或负极片6，正极片5与负极片6相互间隔分布，所述电解液填充于复合隔膜4与正极片5、负极片6的间隙之中，正极片5和负极片6的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

[0025] 实施例2

[0026] 如图1所示，一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为10微米的隔膜基材1，所述隔膜基材1为复合有纳米海泡石的聚乙烯薄膜，其中纳米海泡石的质量含量为10wt％。

[0027] 复合隔膜的上层2与下层3为厚度为1微米的二氧化钛涂层。复合隔膜上均匀分布有孔径为100纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为35％。

[0028] 如图2所示，一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，容量为20Ah，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片5、负极片6、复合隔膜4和电解液，所述复合隔膜呈Z字型折叠成八层，每两层复合隔膜之间设有正极片或负极片，正极片与负极片相互间隔分布，所述电解液填充于隔膜与正极片、负极片的间隙之中，正极片和负极片的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

[0029] 实施例3

[0030] 如图1所示，一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为30微米的隔膜基材1，所述隔膜基材为复合有纳米海泡石的饱和聚酯薄膜，其中纳米海泡石的质量含量为30wt％。

[0031] 复合隔膜的上层2与下层2为厚度为5微米的二氧化硅涂层。复合隔膜上均匀分布有孔径为300纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为65％。

[0032] 如图2所示，一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，容量为20Ah，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片5、负极片6、复合隔膜4和电解液，所述复合隔膜呈Z字型折叠成八层，每两层复合隔膜之间设有正极片或负极片，正极片与负极片相互间隔分布，所述电解液填充于隔膜与正极片、负极片的间隙之中，正极片和负极片的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

[0033] 实施例4

[0034] 如图1所示，一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为25微米的隔膜基材1，所述隔膜基材为复合有纳米海泡石的饱和聚酯无纺布，其中纳米海泡石的质量含量为25wt％。

[0035] 复合隔膜的上层2为厚度为4微米的二氧化锆涂层，其下层3为厚度为4微米的三氧化二铝涂层。复合隔膜上均匀分布有孔径为250纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为40％。

[0036] 一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，容量为20Ah，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片5、负极片6、复合隔膜4和电解液，所述复合隔膜呈Z字型折叠成八层，每两层复合隔膜之间设有正极片或负极片，正极片与负极片相互间隔分布，所述电解液填充于隔膜与正极片、负极片的间隙之中，正极片和负极片的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

[0037] 实施例5

[0038] 如图1所示，一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为15微米的隔膜基材1，所述隔膜基材为复合有纳米海泡石的聚丙烯无纺布，其中纳米海泡石的质量含量为15wt％。

[0039] 复合隔膜的上层2为厚度为2微米的二氧化钛涂层，其下层3为厚度为2微米的二氧化硅涂层。复合隔膜上均匀分布有孔径为150纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为45％。

[0040] 一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，容量为20Ah，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片5、负极片6、复合隔膜4和电解液，所述复合隔膜呈Z字型折叠成十层，每两层复合隔膜之间设有正极片或负极片，正极片与负极片相互间隔分布，所述电解液填充于隔膜与正极片、负极片的间隙之中，正极片和负极片的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

[0041] 实施例6

[0042] 如图1所示，一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为18微米的隔膜基材1，所述隔膜基材为复合有纳米海泡石的聚乙烯无纺布，其中纳米海泡石的质量含量为22wt％。

[0043] 复合隔膜的上层2为厚度为3微米的二氧化钛涂层，其下层3为厚度为3微米的三氧化二铝涂层。复合隔膜上均匀分布有孔径为220纳米的微孔，复合隔膜的孔隙率为60％。

[0044] 一种含有上述复合隔膜的动力钛酸锂电池，容量为20Ah，包括呈方形的铝塑外包装壳以及设于所述铝塑外包装壳内的正极片5、负极片6、复合隔膜4和电解液，所述复合隔膜呈Z字型折叠成十层，每两层复合隔膜之间设有正极片或负极片，正极片与负极片相互间隔分布，所述电解液填充于隔膜与正极片、负极片的间隙之中，正极片和负极片的同一侧边缘上设有极耳，所述极耳贯穿铝塑外包装壳且位于铝塑外包装壳的外部。

[0045] 对比例1

[0046] 一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为35微米、孔隙率为45％，透气率为30cm3/sec的隔膜基材，所述隔膜基材为聚丙烯无纺布，复合隔膜的上层与下层为厚度为2微米的二氧化钛涂层。

[0047] 一种容量为20Ah的动力钛酸锂电池，含有上述复合隔膜。

[0048] 对比例2

[0049] 一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为50微米、孔隙率为30％，透气率为18cm3/sec的隔膜基材，所述隔膜基材为聚丙烯无纺布，复合隔膜的上层与下层为厚度为1微米的二氧化硅涂层。

[0050] 一种容量为20Ah的动力钛酸锂电池，含有上述复合隔膜。

[0051] 对比例3

[0052] 一种复合隔膜，为具有三层结构的复合膜，其中间层为厚度为20微米、孔隙率为55％，透气率为40cm3/sec的隔膜基材，所述隔膜基材为聚丙烯无纺布，复合隔膜的上层与下层为厚度为3微米的二氧化锆涂层。

[0053] 一种容量为20Ah的动力钛酸锂电池，含有上述复合隔膜。

[0054] 性能测试

[0055] 以下为上述6个实施例以及3个对比例的钛酸锂电池的循环性能测试结果：

[0056]

[0057] 以下为上述6个实施例以及3个对比例的钛酸锂电池的隔膜的机械性能测试结果：

[0058]

[0059] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围。