高安全性能的隔膜、电池电芯及提高电池安全性能的方法

摘要

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种高安全性能的隔膜、电池电芯及提高电池安全性能的方法，包括：基膜；功能性涂层，功能性涂层设置在基膜的一侧或两侧，功能性涂层中包括粘结性颗粒，粘结性颗粒为核壳结构，粘结性颗粒的核材包括石蜡、微晶蜡或PE蜡，壳材包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、乙烯、氯苯乙烯、氟苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯腈和甲基丙烯腈的均聚物或共聚物中的至少一种。本发明的高安全性能的隔膜、电池电芯及提高电池安全性能的方法，能够保证隔膜和极片之间稳定的粘结性能，且有效提高电池的安全性能。

权利要求

1.一种电池电芯，其特征在于，包括：

隔膜，所述隔膜包括：

基膜（10）；

功能性涂层（30），所述功能性涂层（30）设置在基膜（10）的一侧或两侧，所述功能性涂层（30）中包括粘结性颗粒（31），所述粘结性颗粒（31）为核壳结构，所述粘结性颗粒（31）的核材（312）包括石蜡、微晶蜡或PE蜡，壳材（311）包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、乙烯、氯苯乙烯、氟苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯腈和甲基丙烯腈的均聚物或共聚物中的至少一种；

所述核材（312）的熔点范围在50‑115℃，所述壳材（311）的熔点范围在120‑140℃；

所述功能性涂层（30）中设置有压扁颗粒，所述压扁颗粒由所述粘结性颗粒（31）压扁而成；

极片（40），所述极片（40）通过压扁颗粒层叠粘合在所述功能性涂层（30）涂层上。

2.如权利要求1所述的电池电芯，其特征在于，所述功能性涂层（30）中还包括若干陶瓷粒子。

3.如权利要求1所述的电池电芯，其特征在于，所述基膜（10）和所述功能性涂层（30）之间还设置有无机粒子层（20），所述无机粒子层（20）中包括陶瓷粒子。

4.如权利要求2或3所述的电池电芯，其特征在于，所述粘结性颗粒（31）均布在所述功能性涂层（30）中。

5.如权利要求2或3所述的电池电芯，其特征在于，所述粘结性颗粒（31）的粒径D50为

0.5‑10μm。

6.如权利要求5所述的电池电芯，其特征在于，所述壳材（311）质量占所述粘结性颗粒（31）质量的10%‑60%。

7.一种提高电池安全性能的方法，采用如权利要求1‑6任一项所述的电池电芯，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：将所述隔膜和极片（40）进行热压，所述隔膜上的粘结性颗粒（31）被压扁，其中，壳材（311）被压扁，壳材（311）和所述极片（40）的接触面积增大，使得隔膜和极片（40）之间具有较好的粘结力，核材（312）被压扁，由于核材（312）石蜡、微晶蜡或PE蜡具有极低的溶胀特性，在压扁后，核材（312）不易反弹，使得隔膜和极片（40）持续保持较好的粘结力；

步骤S2：当电池短路时，电池内温度急剧升高，超过壳材（311）的熔点时，壳材（311）熔化，使得熔化的核材（312）石蜡、微晶蜡或PE蜡被释放出来，熔化的核材（312）进入基膜（10）孔隙中，阻止锂离子通过，使得隔膜具有热关断的安全性能。

说明书

高安全性能的隔膜、电池电芯及提高电池安全性能的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种高安全性能的隔膜、电池电芯及提高电池安全性能的方法。

背景技术

[0002] 现有电池隔膜一般会涂覆陶瓷涂层，然而陶瓷涂覆后的隔膜和极片基本无粘接力，电池在充电及放电期间，正电极及负电极会反复收缩及膨胀，导致电池隔膜和极片分
离，引发电池性能及安全性等问题。

[0003] 针对传统隔膜的缺陷，研究者们通过在陶瓷涂覆层上涂胶使隔膜和极片具有一定的粘接力，从而提高电池的性能，但工艺复杂且生产成本高。此外，研究者们还开发了有机‑
无机（陶瓷）混合涂覆复合隔膜，来满足隔膜耐热性、粘接力和低成本的要求，但此类隔膜相
较于全陶瓷涂覆隔膜的热收缩性能不佳。

发明内容

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种高安全性能的隔膜，能够保证隔膜和极片之间稳定的粘结性能，且有效提高电池的安全性能，包括：

[0005] 基膜；

[0006] 功能性涂层，所述功能性涂层设置在基膜的一侧或两侧，所述功能性涂层中包括粘结性颗粒，所述粘结性颗粒为核壳结构。

[0007] 进一步地，为了增加隔膜的耐热性，所述功能性涂层中还包括若干陶瓷粒子。

[0008] 可选地，为了增加隔膜的耐热性，所述基膜和所述功能性涂层之间还设置有无机粒子层，所述无机粒子层中包括陶瓷粒子。

[0009] 进一步地，所述粘结性颗粒的核材包括石蜡、微晶蜡或PE蜡，所述壳材包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、乙烯、
氯苯乙烯、氟苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯腈和甲基丙烯腈的均聚物或共聚物中的至少一种。

[0010] 进一步地，为了增加隔膜和极片之间的粘结性，所述粘结性颗粒均布在所述功能性涂层中。

[0011] 进一步地，所述石蜡、微晶蜡或PE蜡的熔点范围在50‑115℃，设置石蜡、微晶蜡或PE蜡的熔点在50‑115℃的范围内，能够保证石蜡或微晶蜡易于压扁，且石蜡、微晶蜡或PE蜡
具有较低的溶胀特性，压扁后不易回弹，设置壳材的熔点范围在120‑140℃，当电池短路时，
电池内部温度急剧上升，当超过壳材熔点120℃时，已被熔化的核材被释放，进入基膜孔隙
中，阻止锂离子通过，具有热关断的功能。

[0012] 进一步地，所述粘结性颗粒的粒径D50为0.5‑10μm，通过设置粒径D50在此范围内，便于形成稳定的壳结构，能够有效的核材进行包覆，且在热压过程中，易于被压扁，在增大
粘结力的同时降低了隔膜的厚度。

[0013] 进一步地，所述壳材质量占所述粘结性颗粒质量的10%‑60%。设置壳材的质量占粘结性颗粒质量的10%‑60%，壳材包覆效果最佳，若壳材占比过少，会造成包覆困难，若壳材占
比较高，将会导致包覆量过高，当电池在超高温运行下，壳材包覆量过高会导致核材无法释
放，核材不能有效地进入基膜孔中阻碍锂离子的运行，进而不具备热关断功能。

[0014] 本发明提供一种电池电芯，包括上述的高安全性能的隔膜，所述功能性涂层中设置有压扁颗粒，所述压扁颗粒由所述粘结性颗粒压扁而成；还包括：极片，所述极片通过压
扁颗粒层叠粘合在所述功能性涂层上。本发明的电池电芯，隔膜和极片的粘结性好，且使用
在电池中具有热关断效果，保证电池使用的安全性。

[0015] 本发明还一种提高电池安全性能的方法，采用上述的高安全性能的隔膜，包括以下步骤：

[0016] 步骤S1：将所述隔膜和极片进行热压，所述隔膜上的粘结性颗粒被压扁，其中，壳材被压扁，壳材和所述极片的接触面积增大，使得隔膜和极片之间具有较好的粘结力，核材
石蜡、微晶蜡或PE蜡被压扁，由于核材具有极低的溶胀特性，在压扁后，核材不易反弹，使得
隔膜和极片持续保持较好的粘结力；

[0017] 步骤S2：当电池短路时，电池内温度急剧升高，超过壳材熔点，壳材熔化，使得熔化的核材被释放出来，熔化的核材进入基膜孔隙中，阻止锂离子通过，使得隔膜具有热关断的
安全性能。

[0018] 本发明的有益效果是，本发明的高安全性能的隔膜、电池电芯及提高电池安全性能的方法，电池在充放电期间，电极反复收缩膨胀，电池隔膜和极片能够持续保持较好的粘
结力，不易分离，且电池在短路状态，电池内温度急剧升高，达到壳材熔化温度，核材会被释
放进入到基膜中，阻断锂离子的运行，避免电池继续升温进而引发爆炸的情况，有效提高电
池的安全性能。

附图说明

[0019] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0020] 图1是本发明的第一实施例的电池电芯结构示意图；

[0021] 图2是本发明的第二实施例的电池电芯结构示意图；

[0022] 图3是本发明的高安全性能的隔膜中的核壳结构示意图；

[0023] 图4是本发明的提高电池安全性能的方法的结构示意图。

[0024] 图中：

[0025] 10、基膜；20、无机粒子层；30、功能性涂层；31、粘结性颗粒；311、壳材；312、核材；40、极片。

具体实施方式

[0026] 现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

[0027] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限
定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的
描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0028] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0029] 如图1所示，为本发明的第一实施例，一种高安全性能的隔膜，包括：基膜10、无机粒子层20以及功能性涂层30，无机粒子层20设置在基膜10和功能性涂层30之间，无机粒子
层20为陶瓷颗粒，用以增加隔膜的耐热性能；功能性涂层30层叠固设在无机粒子层20上，功
能性涂层30中包括粘结性颗粒，粘结性颗粒为核壳结构。在无机粒子层20上设置功能性涂
层30，可以使隔膜具有更高的耐热性能，更高的保液能力。

[0030] 如图3所示，粘结性颗粒均布在功能性涂层30中，粘结性颗粒的核材312包括石蜡、微晶蜡或PE蜡，壳材311包括丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯、甲基
丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸丁酯、乙烯、氯苯乙烯、氟苯乙烯、甲基苯乙烯、丙烯腈和甲基丙烯
腈的均聚物或共聚物中的至少一种。

[0031] 核材312的熔点范围在50‑115℃，所述壳材311的熔点范围在120‑140℃。

[0032] 粘结性颗粒的粒径D50为0.5‑10μm，壳材311质量占粘结性颗粒质量的10%‑60%。

[0033] 根据本发明的第二实施例，和第一实施例的区别在于，一种高安全性能的隔膜，包括：基膜10和功能性涂层30，功能性涂层30设置在基膜10的一侧或两侧，功能性涂层30包括
若干陶瓷颗粒和粘结性颗粒。将若干陶瓷颗粒和粘结性颗粒混合涂覆，可以使隔膜具有较
好的耐热性，而且一次可完成涂布，能够降低电池的生产成本。

[0034] 本发明还提供一种电池电芯，包括上述的高安全性能的隔膜，功能性涂层30中设置有压扁颗粒，压扁颗粒由粘结性颗粒压扁而成；还包括：极片40，极片40通过压扁颗粒层
叠粘合在功能性涂层30上。

[0035] 如图4所示，本发明还一种提高电池安全性能的方法，采用上述的高安全性能的隔膜，包括以下步骤：

[0036] 步骤S1：将隔膜和极片40进行热压，隔膜上的粘结性颗粒被压扁，其中，壳材311被压扁，壳材311和极片40的接触面积增大，使得隔膜和极片40之间具有较好的粘结力，核材
312被压扁，由于核材312石蜡、微晶蜡或PE蜡具有极低的溶胀特性，在压扁后，核材312不易
反弹，使得隔膜和极片40持续保持较好的粘结力；

[0037] 步骤S2：当电池短路时，电池内温度急剧升高，超过壳材311的熔点时，壳材311熔化，使得熔化的核材312石蜡、微晶蜡或PE蜡被释放出来，熔化的核材312进入基膜10孔隙
中，阻止锂离子通过，使得隔膜具有热关断的安全性能。实施例1：

[0038] 步骤1：粘结性颗粒的制备。

[0039] 制备核壳结构：核材为58号石蜡，壳材为聚甲基丙烯酸甲酯，壳材质量占比30%。

[0040] 将1.8g的乳化剂PVP和250mL去离子水加入500mL三口烧瓶中，在60℃下低速搅拌。将40g石蜡（58号石蜡）、17.8g单体甲基丙烯酸甲酯、2.2g交联剂季戊四醇四丙烯酸酯和
0.5g引发剂AIBN加入烧杯并在60℃搅拌混合。搅拌混合后，将油相倒入水相，并在1500rpm
下机械搅拌10min。待升温至80℃后，采用700rpm机械搅拌下反应5h。将反应后得到的样品
趁热抽滤，并用70℃的水和乙醇分别洗涤三次，以洗去微胶囊表面附着的微量石蜡、残留的
分散剂和未反应的单体。

[0041] 制得粘结性颗粒样品M1。

[0042] 步骤2：配置陶瓷和粘结性颗粒的水性浆料。

[0043] 将勃姆石颗粒、粘结性颗粒、耐热胶水和去离子水混合。勃姆石颗粒和粘结性颗粒的质量比为8:2，胶水干重占勃姆石颗粒和粘结性颗粒质量和的2.5%。加入浆料质量0.2%的
润湿剂，充分搅拌制备均匀浆料，固含量为20%。勃姆石粒径D50为530nm。

[0044] 步骤3：浆料层的涂覆，固化。

[0045] 将上述浆料均匀的双面辊涂在9微米PE隔膜，并在烘箱内充分干燥，温度为60℃。干燥后单面涂层面密度为1.66g/m2。

[0046] 得到隔膜S1。

[0047] 实施例2：

[0048] 步骤1：粘结性颗粒的制备。

[0049] 将1.8g的乳化剂PVP和250mL 去离子水加到500mL三口烧瓶中，60℃下低速搅拌。将30g石蜡（58号石蜡）、26.7g单体甲基丙烯酸甲酯、3.3g交联剂季戊四醇四丙烯酸酯和
0.8g引发剂AIBN加入烧杯并在60℃搅拌混合。将油相倒入水相，均质机在60℃下以17000 
rpm高速剪切10 min。升温至80℃，700rpm机械搅拌下反应5h。将反应后得到的样品趁热抽
滤，并用70℃的水和乙醇分别洗涤三次，以洗去微胶囊表面附着的微量石蜡、残留的分散剂
和未反应的单体。

[0050] 制得粘结性颗粒样品M2。

[0051] 经过步骤2和步骤3得到隔膜S2。

[0052] 实施例3：

[0053] 制备核壳结构：核材为58号石蜡，壳材为聚甲基丙烯酸甲酯，壳材质量占比10%。

[0054] 和实施例1的区别在于，步骤1中，称取52g石蜡（50号石蜡）、5.78g单体甲基丙烯酸甲酯、1.0g交联剂季戊四醇四丙烯酸酯和0.5g引发剂AIBN。

[0055] 经过步骤2和步骤3得到隔膜S3。

[0056] 实施例4：

[0057] 制备核壳结构：核材为58号石蜡，壳材为甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯的共聚物，壳材质量占比30%。

[0058] 和实施例1的区别在于，步骤1油相制备中，称取30g石蜡（58号石蜡）、16g单体甲基丙烯酸甲酯和1.8g单体甲基丙烯酸丁酯、3.3g交联剂季戊四醇四丙烯酸酯和0.8g引发剂
AIBN。制得粘结性颗粒样品M4。

[0059] 经过步骤2和步骤3得到隔膜S4。

[0060] 实施例5：

[0061] 制备核壳结构：核材为85号微晶蜡，壳材为苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯的共聚物，壳材质量占比60%。

[0062] 和实施例1的区别在于，步骤1：粘结性颗粒的制备。

[0063] 将1.3g PVP溶解在50ml去离子水中。将3g苯乙烯，10.6g 甲基丙烯酸甲酯，9g微晶蜡（85号）和0.2g 季戊四醇三丙烯酸酯的混合物分散在PVP的水溶液中，均质机以5000rpm
的搅拌速度形成水包油乳液。连续地将乳液转移到75mL高压反应釜中密封。先后在120℃和
150℃下各保持8小时，然后自动冷却至室温。然后将样品用蒸馏水反复洗涤。

[0064] 制得粘结性颗粒样品M5。

[0065] 经过步骤2和步骤3得到隔膜S5。

[0066] 实施例6：

[0067] 制备核壳结构：核材为85号微晶蜡，壳材为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸丁酯的共聚物，壳材质量占比25%。

[0068] 和实施例1的区别在于，步骤1：粘结性颗粒的制备。

[0069] 将1.3g PVP溶解在50ml去离子水中。将1.0g苯乙烯，9.6g甲基丙烯酸甲酯，3.0g甲基丙烯酸丁酯，40.8g微晶蜡（85号）和0.2g季戊四醇三丙烯酸酯的混合物分散在PVP的水溶
液中，均质机以5000rpm的搅拌速度形成水包油乳液。连续地将乳液转移到75mL高压反应釜
中密封。先后在120℃和150℃下各保持8小时，然后自动冷却至室温。然后将样品用蒸馏水
反复洗涤。

[0070] 制得粘结性颗粒样品M6。

[0071] 经过步骤2和步骤3得到隔膜S6。

[0072] 实施例7：

[0073] 和实施例1的区别在于，

[0074] 步骤2：配置粘结性颗粒的水性浆料。

[0075] 将粘结性颗粒、粘结剂和去离子水混合，通过搅拌形成均匀浆料，搅拌机转速为700rpm ，浆料固含量为20%，其中粘结剂占粘结性颗粒质量的1.5%。

[0076] 步骤3：喷涂

[0077] 将浆料均匀的单面喷涂在9微米PE基膜表面上，单个旋转喷涂设备流量150 ml/min，转速为10000rpm；

[0078] 步骤4：干燥制得隔膜S7

[0079] 将涂覆隔膜置于烘箱并在60℃充分干燥，干燥后得到隔膜S7，聚合物涂层负载量为0.59g/m2。

[0080] 实施例8：

[0081] 和实施例1的区别在于：

[0082] 步骤3：喷涂

[0083] 将浆料均匀的单面喷涂在双面涂覆陶瓷涂层的9微米PE隔膜表面上，单个旋转喷涂设备流量150 ml/min，转速为10000rpm；

[0084] 步骤4：干燥制得隔膜S8

[0085] 将涂覆隔膜置于烘箱并在60℃充分干燥，干燥后得到隔膜S8，聚合物涂层负载量为0.62g/m2。

[0086] 实施例1‑实施例6的核材、核材的平均粒径、壳材质量占比以及合成方法，

[0087] 如表1所示，实施例7和实施例8的上述数据同实施例1。

[0088]

[0089] 表1

[0090] 测试1：涂覆隔膜涂层剥离强度、涂覆隔膜和正极片粘接强度，单位 (N/m)，其中，正极片涂层为钴酸锂材料，热压条件为1MPa，85℃，5min。如表2所示：

[0091]

[0092] 表2

[0093] S1‑S8中隔膜具有较好的粘结强度，隔膜S4中，壳材选用甲基丙烯酸丁酯使得隔膜具有更优的粘结力。

[0094] 测试2：隔膜和极片热压前后的透气值(s/100ml)，如表3所示：

[0095] 其中，透气值越大，透气性能越差。

[0096]

[0097] 表3

[0098] 隔膜S1‑S8在热压后透气值均未出现增加过高的现象，说明隔膜在热压后，未出现堵孔的现象。若透气值增加过大，则热压后堵孔，从而影响电池性能。130℃1h热处理后，隔
膜透气值均骤增，说明粘结性颗粒中的低熔点物质被释放，并进入隔膜孔隙造成堵孔。在电
池中，则可以阻断锂离子的运输。

[0099] 测试3：将上述隔膜安装为纽扣电池，隔膜和极片预先进行热压。在1C倍率下进行100个循环，测试电池循环前后阻抗，拆下电池，查看隔膜和极片的粘接情况。其结果如表4
所示：

[0100]

[0101] 表4

[0102] 电池P1‑P8中循环后的离子电导率未出现增加过高的现象，说明隔膜在热压后，未出现堵孔的现象，电池循环良好。且电池在循环后隔膜和极片均保持粘接力，说明粘结性颗
粒在电池循环中始终发挥着粘结隔膜和极片的作用。

[0103] 综上所述，本发明的高安全性能的隔膜、电池电芯及提高电池安全性能的方法，隔膜和极片之间能够持续具有较好的粘结性能，在电池在短路状态，电池内温度急剧升高，达
到壳材熔化温度，核材会被释放进入到基膜中，阻断锂离子的运行，避免电池继续升温进而
引发爆炸的情况，有效提高电池的安全性能，且制备方法简单，便于电池的生产制作。

[0104] 以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术
性范围并不局限于说明书上的内容，必须要如权利要求范围来确定其技术性范围。