隔膜、锂电池及其制备方法
阅读说明：本技术 隔膜、锂电池及其制备方法 (Diaphragm, lithium battery and preparation method thereof ) 是由 易江平 郝飞祥 刘鹏飞 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种隔膜、锂电池及其制备方法,该隔膜包括芳纶基膜以及设置在芳纶基膜至少一表面的涂层,该锂电池包括正极片、负极片以及设置在正极片和负极片之间的该隔膜,本申请直接对多层电极片进行高温热压,热压时间短且隔膜粘合效果佳,从而可以提高效率；另外,该方法可以使得电芯分容后隔膜无褶皱,极片表面平整,负极表面无析锂现象。(The invention provides a diaphragm, a lithium battery and a preparation method thereof, wherein the diaphragm comprises an aramid fiber base film and a coating layer arranged on at least one surface of the aramid fiber base film, the lithium battery comprises a positive plate, a negative plate and the diaphragm arranged between the positive plate and the negative plate, the high-temperature hot pressing is directly carried out on a multilayer electrode plate, the hot pressing time is short, the diaphragm bonding effect is good, and therefore the efficiency can be improved; in addition, the method can ensure that the diaphragm has no wrinkles after the capacity grading of the battery cell, the surface of the pole piece is smooth, and the surface of the negative pole has no phenomenon of lithium precipitation.)
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，且特别是涉及一种隔膜、锂电池及其制备方法。
背景技术
锂电池凭借高能量密度、良好的倍率性能和长期的循环性能成为电动汽车的主要动力源。而随着锂电池能量密度的不断提升，安全性也越来越受到人们的重视。
芳纶基膜因为具有耐热性和卓越的防火阻燃性，因此可显著提升锂电池安全性能。另外，芳纶基膜对电解液具有高亲和性，使隔膜具有良好的浸润和吸液保液性能，从而可以延长电池的循环寿命。此外，芳纶基膜还可以提高抗氧化性，进而实现高电位化，从而提高能量密度。所以，芳纶基膜不仅能提升电池安全性能，还能延长循环寿命和提高能量密度。
然而芳纶基膜在锂电池应用中同样存在一些问题。芳纶基膜在电池完成注液后，隔膜受到有机溶剂浸润易产生褶皱。褶皱处会延长锂离子在正负极的迁移路径，增大极化，易造成析锂，进而降低电池电性能以及增加安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于提供一种隔膜、锂电池及其制备方法，以解决现有技术中芳纶隔膜易产生褶皱的问题；提升电池厚度一致性和极片界面均匀性。
本发明解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。本发明提供一种隔膜，包括芳纶基膜，所述芳纶基膜的至少一表面上形成有涂层。
本发明对芳纶基材的材料选择没有特殊限制，常见的芳纶均可。在本发明的一个实施例中，所述芳纶基膜的材料选自对位聚芳酰胺、对位芳酰胺共聚物、间位聚芳酰胺和含取代基的间位芳酰胺共聚物中的至少一种。
在本发明的一个实施例中，所述涂层的材料选自聚偏氟乙烯。
本发明还提供一种锂电池，包括正极片和负极片，所述正极片和所述负极片之间设置有如上所述的隔膜，所述隔膜设置于所述正极片和所述负极片之间。
在本发明的一个实施例中，所述隔膜通过热压与所述正极片和/或所述负极片粘合。
在本发明的一个实施例中，热压的温度为120℃～150℃；进一步的，热压的温度为130℃～150℃。
在本发明的一个实施例中，热压的压力为1.0吨～4.6吨；进一步的，热压的压力为1.6吨～3.4吨；进一步的，热压的压力为3.8吨～4.6吨。
在本发明的一个实施例中，热压的时间为20秒～60秒；进一步的，热压的时间为20秒～40秒。
在本发明的一个实施例中，所述正极片和所述负极片的总层数为21～89层；进一步的，所述正极片和所述负极片的总层数为21～59层；进一步的，为41～59层。
本发明还提供一种如上述任一项所述的锂电池的制备方法，包括步骤：
将至少一个正极片、至少一个负极片和至少一个隔膜进行堆叠或卷绕形成裸电芯；
通过热压上述裸电芯使所述隔膜与所述正极片和/或所述负极片粘合。热压后，可按常规流程进行组装、烘烤、注液、化成分容等制作电池。
本发明提供的隔膜、锂电池及其制备方法，该隔膜包括芳纶基膜以及设置芳纶基膜至少一表面的涂层，该锂电池包括正极片、负极片以及设置在正极片和负极片之间的该隔膜。本发明通过在芳纶基膜的至少一表面上设置涂层后，直接对多层电极片进行高温热压，热压时间短且隔膜粘合效果佳，可以使得电芯分容后隔膜无褶皱，极片表面平整，负极表面无析锂现象。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为第一对比例与本发明第一实施例在3C倍率下的放电曲线图。
图2为第一对比例与本发明第一实施例在3C倍率下的充电曲线图。
图3为第一对比例与本发明第一实施例的电芯厚度分布图。
图4为第二对比例与本发明第二实施例的循环曲线图。
图5为第二对比例与本发明第二实施例的电芯厚度分布图。
具体实施方式
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行机械组成、结构以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本发明的各个实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。
虽然在一些实施例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。
本发明的实施例提供一种隔膜，包括芳纶基膜，芳纶基膜的至少一表面上形成有涂层，也就是说，涂层可以只涂覆在芳纶基膜的一个表面上，也可以涂覆在芳纶基膜的两个表面上。其中，芳纶基膜的材料可以选自对位芳酰胺纤维、对位芳酰胺共聚纤维、间位芳酰胺纤维和含取代基的间位芳酰胺共聚纤维中的至少一种。涂层的材料选自聚偏氟乙烯(PVDF)。
在本发明的一个实施例中，涂层的材料为聚偏氟乙烯。进一步的，热压温度可达120～150℃，因热压温度高，故热压时间可控制在60s以内。在其他实施例中，热压温度可以为130℃～150℃，热压时间可以为20秒～40秒。
本发明的实施例还提供一种锂电池，该电池的电芯为卷绕式，其包括正极片和负极片，正极片和负极片之间设置有如上所述的隔膜，隔膜卷绕于正极片和负极片之间。隔膜通过热压与正极片和/或负极片粘接。
该卷绕式锂电池的制备方法包括如下步骤：
在正极片和负极片之间设置一隔膜，隔膜包括芳纶基膜以及设置在芳纶基膜至少一表面的涂层；
将正极片和负极片由隔膜隔开，卷绕形成裸电芯；
预设温度和压力，通过热压裸电芯使隔膜与正极片和/或负极片粘接。
在卷绕式锂电池的制备方法中，预设温度为120℃～150℃，进一步的，预设温度可以为130℃～150℃。预设压力为1.0吨～4.6吨；进一步的，预设压力为1.6吨～3.4吨；进一步的，预设压力为3.8吨～4.6吨。热压的时间为20秒～60秒，进一步的，热压时间可以为20秒～40秒。本发明可以对裸电芯进行短时热压从而解决后续分容产生的隔膜褶皱问题。
在上述实施例中，所述正极片和所述负极片的总层数为21～89层；进一步的，所述正极片和负极片的总层数为20～44层。
本发明的实施例还提供另一种锂电池，该电池的电芯为叠片式，该锂电池包括相互堆叠的多个正极片和多个负极片，每个正极片和每个负极片之间均设置有如上所述的隔膜，形成裸电芯。热压裸电芯使隔膜与正极片和/或负极片粘接。
在上述实施例中，所述正极片和所述负极片的总层数为21～89层；进一步的，所述正极片和负极片的总层数为21～59层。本发明可以对多达几十层的正负极片进行一次性短时热压，热压工艺简单，适合大工业生产需求。
该叠片式锂电池的制备方法包括如下步骤：
将多个正极片和多个负极片交替叠加设置，在每个正极片和每个负极片之间设置一隔膜，隔膜包括芳纶基膜以及设置在芳纶基膜至少一表面的涂层；
预设温度和压力，通过热压使隔膜与正极片和/或负极片粘接。
在叠片式锂电池的制备方法中，预设温度为120℃～150℃，进一步的，预设温度可以为130℃～150℃；预设压力为1.0吨～4.6吨；进一步的，预设压力为1.6吨～3.4吨；进一步的，预设压力为3.8吨～4.6吨。热压的时间为20秒～60秒；进一步的，热压时间可以为20秒～40秒。
下面结合具体实施例对本发明包含上述隔膜的叠片式锂电池和卷绕式锂电池的性能进行说明。
第一实施例
本实施例提供一种叠片式锂电池，其制作工艺如下：将正极片、隔膜、负极重复叠片，得到叠片式锂电池的裸电芯；其中，隔膜包括芳纶基膜和设置在芳纶基膜两个表面上的聚偏氟乙烯(PVDF)，负极片为30层，正极片为29层；将裸电芯放置在加热后的两个压板之间进行热压，热压压力4.2-4.6T，热压温度130℃，热压时间60s。裸电芯热压后硬度提升，正负极与隔膜均粘合良好。
将上述裸电芯组装、烘烤、注液、化成及分容，制成容量为52Ah的锂电池。锂电池分容后正负极片仍能与隔膜紧密粘合，且隔膜无褶皱。
第二实施例
本实施例提供一种叠片式锂电池，其制作工艺如下：将正极片、隔膜、负极重复叠片，得到叠片式锂电池的裸电芯；其中，隔膜包括芳纶基膜和设置在芳纶基膜两个表面上的聚偏氟乙烯(PVDF)，负极片为22层，正极片为21层；将裸电芯放置在加热后的两个压板之间进行热压，热压压力4.2-4.6T，热压温度130℃，热压时间30s。裸电芯热压后硬度提升，正负极与隔膜均粘合良好。
将上述裸电芯组装、烘烤、注液、化成及分容，制成容量为21Ah的锂电池。锂电池分容后正负极片仍能与隔膜紧密粘合，且隔膜无褶皱。
第三实施例
实施例提供一种叠片式锂电池，其制作工艺如下：将正极片、隔膜、负极重复叠片，得到叠片式锂电池的裸电芯；其中，隔膜包括芳纶基膜和设置在芳纶基膜两个表面上的聚偏氟乙烯(PVDF)，负极片为11层，正极片为10层；将裸电芯放置在加热后的两个压板之间进行热压，热压压力4.2-4.4T，热压温度120℃，热压时间20s。裸电芯热压后硬度提升，正负极与隔膜均粘合良好。
将上述裸电芯组装、烘烤、注液、化成及分容，制成容量为14Ah的锂电池。锂电池分容后正负极片仍能与隔膜紧密粘合，且隔膜无褶皱。
第四实施例
实施例提供一种叠片式锂电池，其制作工艺如下：将正极片、隔膜、负极重复叠片，得到叠片式锂电池的裸电芯；其中，隔膜包括芳纶基膜和设置在芳纶基膜两个表面上的聚偏氟乙烯(PVDF)，负极片为45层，正极片为44层；将裸电芯放置在加热后的两个压板之间进行热压，热压压力4.4-4.6T，热压温度150℃，热压时间60s。裸电芯热压后硬度提升，正负极与隔膜均粘合良好。
将上述裸电芯组装、烘烤、注液、化成及分容，制成容量为52Ah的锂电池。锂电池分容后正负极片仍能与隔膜紧密粘合，且隔膜无褶皱。
第五实施例
本实施例提供一种卷绕式锂电池，在正极片和负极片之间设置一隔膜，隔膜包括芳纶基膜和设置在芳纶基膜的两个表面的涂层，涂层为聚偏氟乙烯(PVDF)；将正极片和负极片由隔膜隔开卷绕形成裸电芯，负极片为13层，正极片为12层；预设压力为1.4吨～1.8吨，热压温度为130℃，热压时间为60s，通过热压使隔膜与正极片和/或负极片粘接。裸电芯热压后硬度提升，正负极与隔膜均粘合良好。
将上述裸电芯组装、烘烤、注液、化成及分容，制成容量为21Ah的锂电池。锂电池分容后正负极片仍能与隔膜紧密粘合，且隔膜无褶皱。
第一对比例
本实施例与第一实施例的区别在于，第一对比例中锂电池的裸电芯不进行热压。
本实施例中锂电池的制作工艺如下：将正极片、隔膜、负极重复叠片，得到叠片式锂电池的裸电芯，其中，负极片为30层，正极片为29层。未被热压的裸电芯，其厚度明显大于第一实施例中裸电芯的厚度，且芳纶基膜无法与聚偏氟乙烯紧密黏附。将前述裸电芯组装、烘烤、注液、化成及分容，制成容量为52Ah的锂电池。锂电池分容后隔膜的表面出现明显褶皱。
结合第一实施例与第一对比例可知，在锂电池的正负极片之间设置有上述隔膜后，如果不经过热压，锂电池分容后正负极片则不能与隔膜紧密粘合，使得隔膜在经过后续分容等步骤后出现褶皱，表明只有在芳纶基膜上涂布PVDF且经过热压才能避免锂电池分容后隔膜产生褶皱的问题。另外，可以通过提升热压温度以减少热压时间来提升制备效率。
第二对比例
本实施例与第二实施例的区别在于，第二对比例中锂电池的裸电芯不进行热压。
本实施例中锂电池的制作工艺如下：将正极片、隔膜、负极重复叠片，得到叠片式锂电池的裸电芯，其中，负极片为22层，正极片为21层。未被热压的裸电芯，其厚度明显小于第二实施例中裸电芯的厚度。将前述裸电芯组装、烘烤、注液、化成及分容，制成容量为21Ah的锂电池。锂电池分容后隔膜的表面出现明显褶皱。
下面通过将第一实施例和第一对比例中的锂电池3C倍率时进行放电和充电，以比较不经过热压和经过热压的锂电池的倍率性能。
3C充电流程为：(1)搁置10min；(2)17.16A恒流放电，截止电压2.7V；(3)搁置10min；(4)156A恒流恒压充电至4.2V，截止电流2.6A；(5)搁置30min。
3C放电流程为：(1)搁置10min；(2)17.16A恒流放电，截止电压2.7V；(3)搁置10min；(4)17.16A恒流恒压充电至4.2V，截止电流2.6A；(5)搁置10min；(6)156A恒流放电，截止电压2.7V。在上述充放电测试中，使用的是新威200A测试柜，型号为CT-4008-5V200A-NTFA。
图1为第一对比例与本发明第一实施例在3C倍率下的放电曲线图。请参考图1，曲线3为第一实施例在3C倍率下的放电曲线图，曲线4为第一对比例在3C倍率下的放电曲线图，由图1可知，第一实施例在3C倍率下的放电曲线较第一对比例在3C倍率下的放电曲线的更为平缓，第一实施例较第一对比例具备倍率性能优势。
图2分别为第一对比例与第一实施例在3C倍率下的充电曲线图。请参考图2，曲线7为第一实施例在3C倍率下的充电曲线图，曲线8为第一对比例在3C倍率下的充电曲线图，由图2可知，第一实施例在3C倍率下的充电曲线较第一对比例在3C倍率下的充电曲线的更为平缓，第一实施例较第一对比例具备倍率性能优势。
图3为第一对比例与本发明第一实施例的裸电芯厚度分布图。采集第一实施例和第一对比例中的裸电芯样本，且裸电芯样本数(裸电芯个数)均为100。经过测量，得到相关曲线，其中，曲线9为第一实施例的裸电芯厚度分布图，曲线10为第一对比例的裸电芯厚度分布图。由曲线9和曲线10可知，未热压裸电芯厚度分布较广，经过热压后的裸电芯厚度分布一致性好，因此，第一实施例较第一对比例具有一致性更高的裸电芯厚度。
结合第一实施例与第一对比例可知，在锂电池的正负极片之间设置有上述隔膜后，如果不经过热压，锂电池分容后正负极片则不能与隔膜紧密粘合，使得隔膜在经过后续分容等步骤后出现褶皱。
下面通过对第二实施例和第二对比例中的锂电池分别进行循环测试，以比较不经过热压和经过热压的锂电池的循环性能。
循环测试流程如下：(1)搁置10min；(2)21A恒流放电，截止电压为2.7V；(3)搁置10min；(4)42A恒流恒压充至4.25V，截止电流5.25A；(5)搁置10min；(6)将工步(2)-(5)循环2500次(以容量衰减到初始电芯的容量的80％停止循环测试)；(7)21A恒流放电，截止电压2.7V。在上述循环测试中，使用的是新威100A测试柜，型号为CT-4016-5V100A-NTFA。
经过上述循环测试后，得出第二实施例与第二对比例的循环曲线图。图4为第二对比例与本发明第二实施例的循环曲线图。曲线11为第二实施例的循环曲线，曲线12为第二对比例的循环曲线，显然，第二实施例的曲线比第二对比例的曲线更为平缓，即第二实施例较第二对比例具有循环优势，也就是说，在芳纶基膜上涂布涂聚偏氟乙烯且经过热压后的锂电池具有明显的循环优势。
图5为第二对比例与本发明第二实施例的电芯厚度分布图。采集第二实施例和第二对比例中的裸电芯样本，且裸电芯样本数(裸电芯个数)均为100。经过测量，得到相关曲线，其中，曲线13为第二实施例的裸电芯厚度分布图，曲线14为第二对比例的裸电芯厚度分布图。由曲线13和曲线14可知，未热压裸电芯厚度分布较广，经过热压后的裸电芯厚度分布一致性好，因此，第二实施例较第二对比例具有一致性更高的裸电芯厚度。
本发明提供的隔膜、锂电池及其制备方法，该隔膜包括芳纶基膜和设置在芳纶基膜至少一表面的涂层，该隔膜设置在正极片和负极片之间，通过叠片工艺或者卷绕工艺制成裸电芯后进行热压，最后制成锂电池。本发明通过在锂电池的正极片和负极片之间设置涂覆有粘接剂的芳纶基膜，既可以通过卷绕式工艺制成裸电芯，也可以通过叠片式工艺制成裸电芯，工艺简单，从而不仅能够避免热压过程中常规隔膜因不耐高温而只能低温(温度一般80℃以下最高不超90℃)热压导致热压效率低下的问题，还能够解决电芯经过分容后隔膜出现褶皱的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。