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CN118476115A - 聚合物改性多孔材料、膜电极、二次电池和用电装置 - Google Patents

聚合物改性多孔材料、膜电极、二次电池和用电装置 Download PDF

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CN118476115A
CN118476115A CN202280085611.3A CN202280085611A CN118476115A CN 118476115 A CN118476115 A CN 118476115A CN 202280085611 A CN202280085611 A CN 202280085611A CN 118476115 A CN118476115 A CN 118476115A
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CN
China
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porous material
polymer modified
modified porous
group
battery
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Application number
CN202280085611.3A
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林江辉
赵延杰
李星
金海族
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Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Original Assignee
Contemporary Amperex Technology Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本申请实施例提供一种聚合物改性多孔材料、膜电极及其应用。聚合物改性多孔材料包括多孔材料和与多孔材料连接的多个表面基团,各表面基团包括依次连接的连接基团和粘性基团,连接基团具有结构单元I所示结构,其中,II表示O与多孔材料连接,各表面基团中的结构单元I的个数相互独立且聚合物改性多孔材料中结构单元I的总摩尔数n为1000~10000;形成粘性基团的单体选自丙烯酸、乙烯、乙烯醇、乙烯亚胺、丙烯、丙烯腈、偏二氟乙烯、四氟乙烯中的任意一种或多种,各表面基团中的粘性基团的个数相互独立且粘性基团的总摩尔数m为10~1000,n/m=10~1000。缓解了现有膜电极自放电严重的问题。

Description

聚合物改性多孔材料、膜电极、二次电池和用电装置 技术领域
本申请涉及电池技术领域,特别是涉及一种聚合物改性多孔材料、膜电极、二次电池和用电装置。
背景技术
在活性离子电池中,隔膜主要起到防止正负极接触并允许活性离子传导的作用,是电池重要的组成部分。目前,商品化的活性离子电池中采用的主要是具有微孔结构的聚烯烃类隔膜材料,如聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)的单层或多层膜。聚烯烃隔膜可以提供足够的机械强度和化学稳定性用于活性离子电池,但在高温条件下则表现出较大的热收缩性。热收缩导致正负极接触、短路,迅速积聚大量热,从而引发起火、燃烧甚至爆炸等安全事故。
为此,人们多采用无机陶瓷粉体对活性离子电池聚烯烃类隔膜材料进行陶瓷化涂覆改性,利用陶瓷较好的高温热稳定性,从而提高隔膜的热稳定性能。同时也利用陶瓷较好的电解液浸润性,也可以改善电池的使用性能,如电池的寿命、放电效率等。
虽然陶瓷涂层能够改善隔膜的耐热性,但由于电极与隔膜的界面结构变得更加复杂,电池内阻增大,导致电池的电学性能发挥收到限制。而且,在活性离子电池装配过程中,实现电极片与隔膜的对齐和良好接触也是一个很难解决的问题。为此,电极与无机隔膜的一体化单元的膜电极结构应运而生,即在电极表面涂覆无机涂层形成无机隔膜,使电极和隔膜一体化。
虽然,这种一体化膜电极将电极和无机隔膜复合在一起,有效解决了装配难以对齐的问题。但是,无机隔膜的绝缘性不足,导致电池自放电明显,影响电池的循环性能。
发明内容
本申请提供了一种聚合物改性多孔材料、膜电极、二次电池和用电装置,以解决现有膜电极自放电严重的问题。
本申请的第一方面提供了一种聚合物改性多孔材料,聚合物改性多孔材料包括多孔材料和与多孔材料连接的多个表面基团,各表面基团包括依次连接的连接基团和 粘性基团,连接基团具有结构单元I所示结构,
结构单元I
其中, 表示O与无机多孔材料连接,各表面基团中的结构单元I的个数相互独立且聚合物改性多孔材料中结构单元I的总摩尔数n为1000~10000;形成粘性基团的单体选自丙烯酸、乙烯、乙烯醇、乙烯亚胺、丙烯、丙烯腈、偏二氟乙烯、四氟乙烯组成的组中的任意一种或多种,各表面基团中的粘性基团的个数相互独立且聚合物改性多孔材料中粘性基团的总摩尔数m为10~1000,且n/m=10~1000。
本申请的聚合物改性多孔材料中,表面基团与多孔材料以一个整体的形式形成隔膜,因此多孔材料能很好地在涂层中铺展开,形成紧密交错的有机高分子网络,可以提高隔膜的绝缘性,阻止自放电发生,从而保证了电池的循环性和长期安全可靠性;而且由于多孔材料的表面接枝了大量的有机基团,因此增加了具有该聚合物改性多孔材料形成的隔膜与电解液的接触效果,有利于电解液的浸润,有利于提高电芯电化学性能。同时,通过控制粘性基团与连接基团的比例,既保证多孔材料对电子传导的阻隔效果,又能保证聚合物改性多孔材料所形成的隔膜与极片具有足够的粘结力,保证电池长期循环的稳定性。
在第一方面的任意实施方式中,上述m=50~500;可选地n=5000~10000;可选地,n/m=50~500,以利用足够多的多孔材料提供绝缘阻隔,而且具有足够的表面基团优化多孔材料在成膜时的铺展效果,从而进一步优化聚合物改性多孔材料所形成的隔膜的电子传导阻隔效果以及与极片的粘结效果。
在第一方面的任意实施方式中,上述多孔材料包括无机材料、有机无机杂化材料中的至少一种。
在第一方面的任意实施方式中,上述多孔材料选自硅藻土、沸石、蒙脱土、高岭土、金属-有机框架材料组成的组中的任意一种或多种。上述多孔材料均具有良好的电子阻隔性能。
在第一方面的任意实施方式中,上述聚合物改性多孔材料的D V50在2μm~15μm之间;可选地聚合物改性多孔材料的BET比表面积为10~80g/m 2。通过具有利用上述粒度和比表面积的聚合物改性多孔材料,具有尽可能多的表面基团,且具有较好的绝缘效果。
本申请的第二方面,提供了一种膜电极,包括极片和隔膜,极片包括集流体和 设置在集流体至少一个表面的活性材料层,隔膜设置在活性材料层的远离集流体的表面上,其中,隔膜包括上述任一种的聚合物改性多孔材料。
本申请的聚合物改性多孔材料中,表面基团与多孔材料以一个整体的形式形成隔膜,因此多孔材料能很好地在涂层中铺展开,形成紧密交错的有机高分子网络,可以提高隔膜的绝缘性,阻止自放电发生,从而保证了电池的循环性和长期安全可靠性;而且由于多孔材料的表面接枝了大量的有机基团,因此增加了具有该聚合物改性多孔材料形成的隔膜与电解液的接触效果,有利于电解液的浸润,有利于提高电芯电化学性能。同时,通过控制粘性基团与连接基团的比例,既保证多孔材料对电子传导的阻隔效果,又能保证聚合物改性多孔材料所形成的隔膜与极片具有足够的粘结力,保证电池长期循环的稳定性。
在第二方面的任意实施方式中,上述隔膜的厚度为2μm~80μm,可选地隔膜的厚度为5μm~50μm。以提供充分的绝缘阻隔效果,且有利于活性离子的穿透。
在第二方面的任意实施方式中,上述极片为负极极片。以提供较多的隔膜面积,为负极需要预留安全尺寸留有足够的空间。
在第二方面的任意实施方式中,隔膜与活性材料层的剥离强度为5.5N/m~15N/m;可选地隔膜与活性材料层的剥离强度为6N/m~14N/m。
本申请的第三方面,提供了一种二次电池,二次电池包括膜电极,其中,膜电极为上述任一种的膜电极。
本申请的第三方面,提供了一种用电装置,包括二次电池或电池模块或电池包,其中,二次电池选自本申请上述的二次电池。
由于本申请的膜电极中隔膜的绝缘性好,活性离子穿透性能好,因此,具有该膜电极的二次电池和用电装置的自放电问题得到有效控制,且循环性能和安全性能得到优化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据附图获得其他的附图。
图1为示出了实施例1的聚合物改性多孔材料的化学反应路线图。
图2是本申请一实施方式的二次电池的示意图。
图3是图2所示的本申请一实施方式的二次电池的分解图。
图4是本申请一实施方式的电池模块的示意图。
图5是本申请一实施方式的电池包的示意图。
图6是图5所示的本申请一实施方式的电池包的分解图。
图7是本申请一实施方式的二次电池用作电源的用电装置的示意图。
在附图中,附图并未按照实际的比例绘制。
附图标记说明:
1电池包;2上箱体;3下箱体;4电池模块;5二次电池;51壳体;52电极组件;53顶盖组件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理,但不能用来限制本申请的范围,即本申请不限于所描述的实施例。
以下,适当地参照附图详细说明具体公开了本申请的聚合物改性多孔材料、膜电极、二次电池和用电装置的实施方式。但是会有省略不必要的详细说明的情况。例如,有省略对已众所周知的事项的详细说明、实际相同结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长,便于本领域技术人员的理解。此外,附图及以下说明是为了本领域技术人员充分理解本申请而提供的,并不旨在限定权利要求书所记载的主题。
本申请所公开的“范围”以下限和上限的形式来限定,给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的,选定的下限和上限限定了特别范围的边界。这种方式进行限定的范围可以是包括端值或不包括端值的,并且可以进行任意地组合,即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如,如果针对特定参数列出了60~120和80~110的范围,理解为60~110和80~120的范围也是预料到的。此外,如果列出的最小范围值1和2,和如果列出了最大范围值3,4和5,则下面的范围可全部预料到:1~3、1~4、1~5、2~3、2~4和2~5。在本申请中,除非有其他说明,数值范围“a~b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示,其中a和b都是实数。例如数值范围“0~5”表示本文中已经全部列出了“0~5”之间的全部实数,“0~5”只是这些数值组合的缩略表示。另外,当表述某个参数为≥2的整数,则相当于公开了该参数为例如整数2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12等。
如果没有特别的说明,本申请的所有实施方式以及可选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请的所有技术特征以及可选技术特征可以相互组合形成新的技术方案。
如果没有特别的说明,本申请的所有步骤可以顺序进行,也可以随机进行,优选是顺序进行的。例如,所述方法包括步骤(a)和(b),表示所述方法可包括顺序进行的 步骤(a)和(b),也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如,所述提到所述方法还可包括步骤(c),表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法,例如,所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c),也可包括步骤(a)、(c)和(b),也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。
如果没有特别的说明,本申请所提到的“包括”和“包含”表示开放式,也可以是封闭式。例如,所述“包括”和“包含”可以表示还可以包括或包含没有列出的其他组分,也可以仅包括或包含列出的组分。
如果没有特别的说明,在本申请中,术语“或”是包括性的。举例来说,短语“A或B”表示“A,B,或A和B两者”。更具体地,以下任一条件均满足条件“A或B”:A为真(或存在)并且B为假(或不存在);A为假(或不存在)而B为真(或存在);或A和B都为真(或存在)。
[二次电池]
二次电池又称为充电电池或蓄电池,是指在电池放电后可通过充电的方式使活性材料激活而继续使用的电池。
通常情况下,二次电池包括正极极片、负极极片、隔离膜及电解液。在电池充放电过程中,活性离子(例如锂离子)在正极极片和负极极片之间往返嵌入和脱出。隔离膜设置在正极极片和负极极片之间,主要起到防止正负极短路的作用,同时可以使活性离子通过。电解液在正极极片和负极极片之间,主要起到传导活性离子的作用。本申请的二次电池中,隔离膜(又称隔膜)与极片(正极片或负极片,优选负极片)一体化设置后再与另一个单独设置的极片进行组合形成电芯。
[聚合物改性多孔材料]
本申请的一个实施方式提供了一种聚合物改性多孔材料,该聚合物改性多孔材料包括多孔材料和与多孔材料连接的多个表面基团,各表面基团包括依次连接的连接基团和粘性基团,连接基团具有结构单元I所示结构,
结构单元I
其中, 表示O与多孔材料连接,各表面基团中的结构单元I的个数相互独立且聚合物改性多孔材料中结构单元I的总摩尔数n为1000~10000;
形成粘性基团的单体选自丙烯酸、乙烯、乙烯醇、乙烯亚胺、丙烯、丙烯腈、偏二氟乙烯、四氟乙烯组成的组中的任意一种或多种,各表面基团中的粘性基团的个数相互独立且聚合物改性多孔材料中粘性基团的总摩尔数m为10~1000,且 n/m=10~1000。
本申请的聚合物改性多孔材料中,表面基团与多孔材料以一个整体的形式形成隔膜,因此多孔材料能很好地在涂层中铺展开,形成紧密交错的有机高分子网络,可以提高隔膜的绝缘性,阻止自放电发生,从而保证了电池的循环性和长期安全可靠性;而且由于多孔材料的表面接枝了大量的有机基团,因此增加了具有该聚合物改性多孔材料形成的隔膜与电解液的接触效果,有利于电解液的浸润,有利于提高电芯电化学性能。同时,通过控制粘性基团与连接基团的比例,既保证多孔材料对电子传导的阻隔效果,又能保证聚合物改性多孔材料所形成的隔膜与极片具有足够的粘结力,保证电池长期循环的稳定性。
上述m和n值可以采用核磁共振仪检测,比如利用核磁氢谱即可测得m和n的值。
上述连接基团起到连接多孔材料和粘性基团的作用,粘性基团主要是用于成膜并提供与基底(比如极片的活性材料层)的粘结,在一些实施方式中,上述m=50~500;可选地n=5000~10000;可选地,n/m=50~500,以利用足够多的多孔材料提供绝缘阻隔,而且具有足够的表面基团优化多孔材料在成膜时的铺展效果,从而进一步优化聚合物改性多孔材料所形成的隔膜的电子传导阻隔效果以及与极片的粘结效果。
用于本申请的多孔材料可以从常规的膜电极使用的材料中进行选择,为了提高表面基团对多孔材料的修饰效果,在一些实施方式中,上述多孔材料包括无机材料、有机无机杂化材料中的至少一种。可选地,多孔材料选自硅藻土、沸石、蒙脱土、高岭土、金属-有机框架材料组成的组中的任意一种或多种。上述多孔材料均具有良好的电子阻隔性能。而且,上述各无机多孔材料的表面均具有表面羟基,从而为连接基团的接枝提供了便利条件,使得表面修饰效果更为稳定。
在一些实施方式中,上述聚合物改性多孔材料的D V50在2μm~15μm之间,聚合物改性多孔材料的BET比表面积为10~80g/m 2。通过具有利用上述粒度和比表面积的聚合物改性多孔材料,有尽可能多的表面基团,且使聚合物改性多孔材料中具有较好的绝缘效果。
上述BET比表面积的测定可以采用如下方法:
参考标准:GB/T 19587-2017气体吸附BET法测定固态物质比表面积,检测设备:比表面及孔隙度分析仪,仪器型号:美国麦克TriStar 3020,测试方法:参考WI-PCA-016《气体吸附法比表面积分析工作指引》,关键参数如下:脱气时间/温度:2hrs/200℃。
上述颗粒中位粒径(D V50)的测定可以采用如下方法:
参考标准GB/T 19077-2016/ISO13320:2009测定材料颗粒度,取结果中Dv50作为中位粒径。检测设备:马尔文激光粒度分析仪,仪器型号:Master Size 2000,测试方法:参考WI-PCA-027《激光粒度分析工作指引》,关键参数如下:分散剂:2滴1%CPF专用分散剂,溶剂:20ml DI水,遮光度:8-12%,进样方式:全进样。
本申请还提供了一种上述聚合物改性多孔材料的制备方法,以下制备方法仅是对聚合物改性多孔材料的制备方法举例,并不能构成对聚合物改性多孔材料的限定。
在0℃~10℃条件下,在四氢呋喃溶液中,催化剂(比如三乙胺)的催化下加入丙烯酰氯和无机多孔材料(比如硅藻土,以二氧化硅计),反应一段时间,得到过程产物A,使丙烯酰氯与无机多孔材料的表面羟基反应进而接枝到无机多孔材料表面上。
2)称取一定量产物A、一定量粘结单体(比如丙烯酸、乙烯、乙烯醇、乙烯亚胺、丙烯、丙烯腈、偏二氟乙烯或四氟乙烯),将二者溶解于四氢呋喃中,抽真空(避免自由基被氧化)后,在三口烧瓶中,持续通入N 2,加入引发剂,加热至50℃~100℃,搅拌反应一段时间后,将所得粗产物倒入0℃的冰乙醚中沉降,即可得到聚合物改性多孔材料。
上述引发剂可以根据所用粘结单体进行调节,比如粘结单体为丙烯酸,采用偶氮二异丁腈作为引发剂
另外,可以通过调节丙烯酰氯、无机多孔材料、产物A和粘结单体的用量,调整聚合物改性多孔材料中无机多孔材料和表面基团的比例,表面基团中连接基团和粘性基团的比例。本领域技术人员可以在常规试验基础上确定原料的用量和最终产品的上述比例,本申请不再一一列举说明。
本申请的另一个实施方式提供了一种膜电极,包括极片和隔膜,极片包括集流体和设置在集流体至少一个表面的活性材料层,隔膜设置在活性材料层的远离集流体的表面上,其中,隔膜包括上述任一种的聚合物改性多孔材料。
本申请的聚合物改性多孔材料中,表面基团与多孔材料以一个整体的形式形成隔膜,因此多孔材料能很好地在涂层中铺展开,形成紧密交错的有机高分子网络,可以提高隔膜的绝缘性,阻止自放电发生,从而保证了电池的循环性和长期安全可靠性;而且由于多孔材料的表面接枝了大量的有机基团,因此增加了具有该聚合物改性多孔材料形成的隔膜与电解液的接触效果,有利于电解液的浸润,有利于提高电芯电化学性能。同时,通过控制粘性基团与连接基团的比例,既保证多孔材料对电子传导的阻隔效果,又能保证聚合物改性多孔材料所形成的隔膜与极片具有足够的粘结力,保证电池长期循环的稳定性。
本申请膜电极将隔膜和极片一体化设置,隔膜在其中的作用与独立设置的隔膜的作用相同,都是起到使正负极片绝缘并保证活性离子穿透的作用。在一些实施方式中,上述隔膜的厚度为2μm~80μm,可选地隔膜的厚度为5μm~50μm。避免了隔膜厚度过小,导致的绝缘效果下降,同时避免了厚度过大导致活性离子穿透路径过长,影响电性能和循环性能。
本申请的膜电极中极片可以为负极片也可以为正极片,基于目前常规电芯装配时,为了实现充分的绝缘以及对活性材料的利用,通过负极片的活性层面积大于正极片的活性层面积,因此优选上述极片为负极极片,以提供较多的隔膜面积,为负极需要预留安全尺寸留有足够的空间。
由于本申请的隔膜中相当于粘结剂的粘性基团和绝缘材料一体设置,因此,使得隔膜与活性材料层的粘结性能得到优化,在一些实施方式中,经测定,隔膜与活性材料层的剥离强度为5.5N/m~15N/m;可选地隔膜与活性材料层的剥离强度为6N/m~14N/m。
以膜电极为负极膜电极为例,二次电池的电芯在组装时按照负极膜电极、双面正极、负极膜电极、双面正极……的方式进行叠置。以下对其中的正极极片和负极极片进行举例说明。
[正极极片]
正极极片通常包括正极集流体以及设置在正极集流体至少一个表面的正极膜层,正极膜层包括正极活性材料。
作为示例,正极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,正极膜层设置在正极集流体相对的两个表面的其中任意一者或两者上。
在一些实施方式中,正极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可采用铝箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基层至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铝、铝合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中,正极活性材料可采用本领域公知的用于电池的正极活性材料。作为示例,正极活性材料可包括以下材料中的至少一种:橄榄石结构的含锂磷酸盐、锂过渡金属氧化物及其各自的改性化合物。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作电池正极活性材料的传统材料。这些正极活性材料可以仅单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。其中,锂过渡金属氧化物的示例可包括但不限于锂钴氧化物(如LiCoO 2)、锂镍氧化物(如LiNiO 2)、锂锰氧化物(如LiMnO 2、LiMn 2O 4)、锂镍钴氧化物、锂锰钴氧化物、锂镍锰氧化物、锂镍钴锰氧化物(如LiNi 1/3Co 1/3Mn 1/3O 2(也可以简称为NCM 333)、LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O 2(也可以简称为NCM 523)、LiNi 0.5Co 0.25Mn 0.25O 2(也可以简称为NCM 211)、LiNi 0.6Co 0.2Mn 0.2O 2(也可以简称为NCM 622)、LiNi 0.8Co 0.1Mn 0.1O 2(也可以简称为NCM 811)、锂镍钴铝氧化物(如LiNi 0.85Co 0.15Al 0.05O 2)及其改性化合物等中的至少一种。橄榄石结构的含锂磷酸盐的示例可包括但不限于磷酸铁锂(如LiFePO 4(也可以简称为LFP))、磷酸铁锂与碳的复合材料、磷酸锰锂(如LiMnPO 4)、磷酸锰锂与碳的复合材料、磷酸锰铁锂、磷酸锰铁锂与碳的复合材料中的至少一种。
在一些实施方式中,正极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例,粘结剂可以包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、偏氟乙烯~四氟乙烯~丙烯三元共聚物、偏氟乙烯~六氟丙烯~四氟乙烯三元共聚物、四氟乙烯~六氟丙烯共聚物及含氟丙烯 酸酯树脂中的至少一种。
在一些实施方式中,正极膜层还可选地包括导电剂。作为示例,导电剂可以包括超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中,可以通过以下方式制备正极极片:将上述用于制备正极极片的组分,例如正极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他的组分分散于溶剂(例如N~甲基吡咯烷酮)中,形成正极浆料;将正极浆料涂覆在正极集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到正极极片。
[负极极片]
负极极片包括负极集流体以及设置在负极集流体至少一个表面上的负极膜层,所述负极膜层包括负极活性材料。
作为示例,负极集流体具有在其自身厚度方向相对的两个表面,负极膜层设置在负极集流体相对的两个表面中的任意一者或两者上。本申请在该负极极片上进一步设置隔膜,形成一体化的膜电极。
在一些实施方式中,负极集流体可采用金属箔片或复合集流体。例如,作为金属箔片,可以采用铜箔。复合集流体可包括高分子材料基层和形成于高分子材料基材至少一个表面上的金属层。复合集流体可通过将金属材料(铜、铜合金、镍、镍合金、钛、钛合金、银及银合金等)形成在高分子材料基材(如聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)等的基材)上而形成。
在一些实施方式中,负极活性材料可采用本领域公知的用于电池的负极活性材料。作为示例,负极活性材料可包括以下材料中的至少一种:人造石墨、天然石墨、软炭、硬炭、硅基材料、锡基材料和钛酸锂等。硅基材料可选自单质硅、硅氧化合物、硅碳复合物、硅氮复合物以及硅合金中的至少一种。锡基材料可选自单质锡、锡氧化合物以及锡合金中的至少一种。但本申请并不限定于这些材料,还可以使用其他可被用作电池负极活性材料的传统材料。这些负极活性材料可以仅单独使用一种,也可以将两种以上组合使用。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括粘结剂。作为示例,粘结剂可选自丁苯橡胶(SBR)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠(SA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)及羧甲基壳聚糖(CMCS)中的至少一种。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括导电剂。作为示例,导电剂可选自超导碳、乙炔黑、炭黑、科琴黑、碳点、碳纳米管、石墨烯及碳纳米纤维中的至少一种。
在一些实施方式中,负极膜层还可选地包括其他助剂,例如增稠剂(如羧甲基纤维素钠(CMC-Na))等。
在一些实施方式中,可以通过以下方式制备负极极片:将上述用于制备负极极片的组分,例如负极活性材料、导电剂、粘结剂和任意其他组分分散于溶剂(例如去离子水)中,形成负极浆料;将负极浆料涂覆在负极集流体上,经烘干、冷压等工序后,即可得到负极极片。
[电解质]
电解质在正极极片和负极极片之间起到传导离子的作用。本申请对电解质的种类没有具体的限制,可根据需求进行选择。例如,电解质可以是液态的、凝胶态的或全固态的。
在一些实施方式中,电解质为液态的,且包括电解质盐和溶剂。
在一些实施方式中,电解质盐可选自六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂、三氟甲磺酸锂、二氟磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、二草酸硼酸锂、二氟二草酸磷酸锂及四氟草酸磷酸锂中的至少一种。
在一些实施方式中,溶剂可选自碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸乙丙酯、碳酸亚丁酯、氟代碳酸亚乙酯、甲酸甲酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、丙酸乙酯、丙酸丙酯、丁酸甲酯、丁酸乙酯、1,4-丁内酯、环丁砜、二甲砜、甲乙砜及二乙砜中的至少一种。
在一些实施方式中,电解液还可选地包括添加剂。作为示例,添加剂可以包括负极成膜添加剂、正极成膜添加剂,还可以包括能够改善电池某些性能的添加剂,例如改善电池过充性能的添加剂、改善电池高温或低温性能的添加剂等。
在一些实施方式中,可通过卷绕工艺或叠片工艺制成电极组件。
在一些实施方式中,二次电池可包括外包装。该外包装可用于封装上述电极组件及电解质。
在一些实施方式中,二次电池的外包装可以是硬壳,例如硬塑料壳、铝壳、钢壳等。二次电池的外包装也可以是软包,例如袋式软包。软包的材质可以是塑料,作为塑料,可列举出聚丙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚丁二酸丁二醇酯等。
本申请对二次电池的形状没有特别的限制,其可以是圆柱形、方形或其他任意的形状。例如,图2是作为一个示例的方形结构的二次电池5。
在一些实施方式中,参照图3,外包装可包括壳体51和盖板53。其中,壳体51可包括底板和连接于底板上的侧板,底板和侧板围合形成容纳腔。壳体51具有与容纳腔连通的开口,盖板53能够盖设于所述开口,以封闭所述容纳腔。正极极片、负极 极片和隔离膜可经卷绕工艺或叠片工艺形成电极组件52。电极组件52封装于所述容纳腔内。电解液浸润于电极组件52中。二次电池5所含电极组件52的数量可以为一个或多个,本领域技术人员可根据具体实际需求进行选择。
在一些实施方式中,二次电池可以组装成电池模块,电池模块所含二次电池的数量可以为一个或多个,具体数量本领域技术人员可根据电池模块的应用和容量进行选择。
图4是作为一个示例的电池模块4。参照图4,在电池模块4中,多个二次电池5可以是沿电池模块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二次电池5进行固定。
可选地,电池模块4还可以包括具有容纳空间的外壳,多个二次电池5容纳于该容纳空间。
在一些实施方式中,上述电池模块还可以组装成电池包,电池包所含电池模块的数量可以为一个或多个,具体数量本领域技术人员可根据电池包的应用和容量进行选择。
图5和图6是作为一个示例的电池包1。参照图5和图6,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块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。多个电池模块4可以按照任意的方式排布于电池箱中。
另外,本申请还提供一种用电装置,所述用电装置包括本申请提供的二次电池、电池模块、或电池包中的至少一种。所述二次电池、电池模块、或电池包可以用作所述用电装置的电源,也可以用作所述用电装置的能量存储单元。所述用电装置可以包括移动设备(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、储能系统等,但不限于此。
作为所述用电装置,可以根据其使用需求来选择二次电池、电池模块或电池包。
图7是作为一个示例的用电装置。该用电装置为纯电动车、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二次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块。
[实施例]
以下,说明本申请的实施例。下面描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。实施例中未注明具体技术或条件的,按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者,均为可以通过市购获得的常规产品。
物质 厂商
硅藻土 宜兴市君联硅藻土有限公司
沸石粉 朝阳市鑫河沸石科技有限公司
高岭土 上海凯茵化工有限公司
MOF-74 江苏先丰纳米材料科技有限公司
石墨 贝特瑞新材料集团股份有限公司
实施例1
聚合物改性绝缘多孔材料的制备
1)0℃条件下,在四氢呋喃溶液中,1mL三乙胺的催化下加入1.1mol丙烯酰氯和1mol硅藻土(以SiO 2计),反应4h,得到过程产物A。
2)称取0.02mol产物A、1mol丙烯酸(粘性单体),将二者溶解于200mL四氢呋喃中,抽真空(避免自由基被氧化)后,在三口烧瓶中,持续通入N 2,加入0.05g偶氮二异丁腈作为引发剂,加热至70℃,搅拌反应12h后,将所得粗产物倒入0℃的冰乙醚中沉降,即可得到聚合物改性硅藻土。上述过程中的化学反应可参考图1示出的反应过程。
隔膜层涂敷浆料制备
将所得聚合物改性硅藻土以粉料和水以8:2的体积比分散于去离子水中,以800r/min的转速高速搅拌1h混合均匀,得到隔膜涂层浆料,然后以100r/min的转速慢搅待用。
锂离子电池制作
正极极片制备:将镍钴锰三元正极材料LiNi 0.5Co 0.2Mn 0.3O 2、SP和PVDF按96:2.5:1.5的比例加入混合均匀后,添加溶剂NMP,调节固含量至75%,搅拌均匀后得到正极浆料,而后经过涂布干燥冷压分切制成正极极片;
负极极片制备:将石墨与SP按97:3干混后,加入去离子水,调节固含量至50%,搅拌均匀后得到负极浆料,而后经过涂布干燥冷压,得到负极极片。随后将步隔膜涂层浆料涂敷在负极极片上,涂覆层厚度为30μm,再次烘干后分切制成负极+隔膜层的膜电极;
电解液制备:将碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)按体积比1:1:1混合,然后将LiPF6均匀溶解在上述溶液中,得到电解液。该电解液中,LiPF6的浓度为1mol/L;
将前面两步制得的极片卷绕成电芯,并用铝塑膜封装成干电芯,经注液化成老化等工序,制备得到锂离子电池。
实施例2-3
与实施例1的区别在于:将聚合物改性硅藻土制备过程中的粘性单体将丙烯酸替换为以下表中对应的单体。
实施例 粘性单体
实施例2 偏氟乙烯
实施例3 四氟乙烯
实施例4 乙烯
实施例5 乙烯醇
实施例6 乙烯亚胺
实施例7 丙烯腈
实施例8-14、对比例2-4
与实施例1的区别在于丙烯酸和中间产物A的加入量按照以下表格进行调整。
实施例15-17
与实施例1的区别在于采用下表中的多孔材料替换硅藻土。
实施例 多孔材料
实施例15 沸石粉
实施例16 高岭土
实施例17 MOF-74
实施例18-22
与实施例1的区别在于隔膜层涂敷厚度按照下表进行调整。
对比例1
与实施例1的区别在于隔膜层浆料制备:将聚丙烯酸酯与硅藻土(同硅藻土相同的原料)按10:90质量比加入到去离子水中,800r/min的转速高速搅拌1h后,100r/min的转速慢搅待用。
【聚合物改性多孔材料检测】采用核磁共振氢谱即可表征计算出m和n的值。具体表征相关信息如下:
产物的分子结构在Bruker AVANCEⅢ 400核磁共振仪上测定,其测试温度为25℃,四甲基硅烷(TMS)作为内标,所用溶剂分别是氘代氯仿(CDCl 3)作为溶剂。
测试过程:将5mg样品溶解于上述溶剂后转移至核磁管中,进样1mL,即可进行测试。
通过添加剂分子中相应聚合单元内特征氢的峰面积即可以确定m和n值。
【极片测试】
1、极片粘结力测试
取各实施例和对比例的负极+隔膜层复合极片,裁成长100mm、宽10mm的测试样品。取一条宽度为25mm的不锈钢板,贴双面胶(宽度11mm),将测试样品上负极材料层一面粘贴在不锈钢板上的双面胶上,用2000g压辊在其表面以300mm/min的速度来回滚压三次。然后,将测试样品的一端180度弯折,手动将测试样品的负极材料层与集流体沿长度方向剥开25mm,将该测试样品固定在试验机上(型号INSTRON 336),使剥离面与试验机力线保持一致(也即,与试验机进行剥离时的运动方向相平行),试验机以30mm/min的速度连续剥离,得到剥离力曲线。取平稳段(也即,剥离力曲线上不再单调增加的区段)的均值作为剥离力F0,则隔膜层和负极极片之间的粘结力F=F0/测试样品的宽度(F的计量单位:N/m)。
2、隔膜层厚度测试
采用螺旋测微器测量涂敷前后的极片厚度差即可计算出隔膜层厚度
【电池性能测试】
1、电池循环性能测试
在25℃下,将电池以1/3C恒定电流充电至电压为4.3V,再以4.3V恒定电压充电至电流为0.05C,搁置5分钟,再以1/3C放电至电压为2.8V,所得容量记为初始容量C0。对上述同一个电池重复以上步骤,并同时记录循环第n次后电池的放电容 量Cn,每次循环后电池容量保持率为Pn=Cn/C0×100%,分别测得实施例和对比例的第1000次循环后的放电容量保持率。
2、电池自放电测试
在25℃下,将电池以1/3C恒定电流充电至电压为4.3V,再以4.3V恒定电压充电至电流为0.05C,随后放置30天,30天后再次测量电池电压V 1,自放电率计算公式:S=(4.3-V 1)/4.3×100%。
上述测试结果记录在表1中。
表1
通过对比实施例1与对比例可以发现,采用本发明的方案将硅藻土与粘性 单体进行连接后,聚合物改性材料的铺展性较好,因此涂敷出来的隔膜层具有更强的粘结力,从而具有更好的长期可靠性;同时自放电明显改善,长期循环性能也相应改善。
而实施例1-7说明本发明的方案不局限于单一的粘结剂体系,可拓展到锂离子电池中常用的粘结剂。
实施例8-14与实施例1对比则可以说明,硅藻土与粘结剂分子的聚合单体需要控制在一定的比例范围内,当粘结剂分子单体聚合单元数相对较高时(实施例8/10),隔膜涂层粘结力高,但是由于硅藻土分子单元较少,隔离正负极间的电子传导效果减弱,对电池自放电的效果改善不足,正负极间副反应较多,影响电池性能。但是当硅藻土分子单元数过多、粘结剂分子较少时(实施例9),则隔膜涂层的粘结力会有所下降,不利于优化电池的长期性能。
此外,通过实施例18-22与实施例1的对比可以说明,隔膜涂层厚度过薄时,对改善隔膜的隔离效果不足,自放电控制不足;而当隔膜层过厚时,虽然很好地隔绝了正负极间的电子通路,自放电较小,但是也造成电池电阻增大,极化增加,导致电池容量衰减加快。
虽然已经参考优选实施例对本申请进行了描述,但在不脱离本申请的范围的情况下,可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是,只要不存在结构冲突,各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例,而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

  1. 一种聚合物改性多孔材料,其中,所述聚合物改性多孔材料包括多孔材料和与所述多孔材料连接的多个表面基团,各所述表面基团包括依次连接的连接基团和粘性基团,所述连接基团具有结构单元I所示结构,
    其中, 表示O与所述多孔材料连接,各所述表面基团中的所述结构单元I的个数相互独立且所述聚合物改性多孔材料中所述结构单元I的总摩尔数n为1000~10000;
    形成所述粘性基团的单体选自丙烯酸、乙烯、乙烯醇、乙烯亚胺、丙烯、丙烯腈、偏二氟乙烯、四氟乙烯组成的组中的任意一种或多种,各所述表面基团中的所述粘性基团的个数相互独立且所述聚合物改性多孔材料中所述粘性基团的总摩尔数m为10~1000,且n/m=10~1000。
  2. 根据权利要求1所述的聚合物改性多孔材料,其中,m=50~500;可选地n=5000~10000;可选地,n/m=50~500。
  3. 根据权利要求1或2所述的聚合物改性多孔材料,其中,所述多孔材料包括无机材料、有机无机杂化材料中的至少一种。
  4. 根据权利要求1至3中任一项所述的聚合物改性多孔材料,其中,所述多孔材料选自硅藻土、沸石、蒙脱土、高岭土、金属-有机框架材料组成的组中的任意一种或多种。
  5. 根据权利要求1至4中任一项所述的聚合物改性多孔材料,其中,所述聚合物改性多孔材料的D V50在2μm~15μm之间;可选地所述聚合物改性多孔材料的BET比表面积为10~80g/m 2
  6. 一种膜电极,包括极片和隔膜,所述极片包括集流体和设置在所述集流体至少一个表面的活性材料层,所述隔膜设置在所述活性材料层的远离所述集流体的表面上,其中,所述隔膜包括权利要求1至5中任一项所述的聚合物改性多孔材料。
  7. 根据权利要求1所述的膜电极,其中,所述隔膜的厚度为2μm~80μm,可选地所述隔膜的厚度为5μm~50μm。
  8. 根据权利要求6或7所述的膜电极,其中,所述极片为负极极片。
  9. 根据权利要求6至8中任一项所述的膜电极,其中,所述隔膜与所述活性材料层的剥离强度为5.5N/m~15N/m;可选地所述隔膜与所述活性材料层的剥离强度为6 N/m~14N/m。
  10. 一种二次电池,所述二次电池包括膜电极,其中,所述膜电极为权利要求6至9中任一项所述的膜电极。
  11. 一种用电装置,包括二次电池或电池模块或电池包,其中,所述二次电池选自权利要求10所述的二次电池。
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