[发明专利]电化学隔离膜结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学隔离膜结构及其制作方法，主要用于锂电池中，用以改善收缩现象及高温时的安全性能。

背景技术

二次锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长等优点，自问世以来即迅速取代了镍镉、镍氢等传统二次电池的地位，自1991年日本Sony公司率先将其商品化之后，市场占有率持续增加，仅仅十余年，全球产值就超过了镍镉和镍氢电池之总和。随着对现有材料和电池设计技术的改进以及新材料的出现，锂离子电池的应用领域不断被拓展，尤其是近年来3C电子产品不断强调轻、薄、短小化，锂离子电池已成为最佳的选择。

在消费性电子或是电动车应用市场上，锂电池的安全性需求是最重要的产品评估项目，因此在电池设计上如隔离膜等提升安全性相关的材料与设计工作至为关键。其中隔离膜的作用主要为隔离电子避免正负电极间短路、并让离子可自由通过；另外电池异常温度上升时，也需隔离膜作用来关闭原先作为离子通道的细孔，避免温度持续升高导致热暴走(thermal runaway)进而产生燃烧或爆炸。也因此隔离膜产品本身的强度、厚度、微孔分布与热启动性等质量指针，决定了电池电容量、电池循环寿命、安全性等因素，也使锂电池隔离膜的市场发展受到瞩目，尤其隔离膜价格占整体锂电池成本的20％以上，也使得隔离膜的开发越形重要。

就目前看来，几乎所有商业化的锂离子电池都是采用聚烯烃类(polyolefin)的多孔高分子薄膜作为隔离膜，包含有PP、PE，乃至于PP/PE/PP三层合一的。聚烯烃类的隔离膜不仅成本较低廉，而且有优良的机械强度和化学稳定度。

关于隔离膜的生产方法则可分为干式和湿式两种。干式的制程如美国专利案5952120、6207053与6368742号所揭露采用聚烯烃类(polyolefin)作为多孔隔离膜的材料与方法，主要使用聚乙烯(polyethylene；PE)，聚丙烯(polypropylene；PP)为主要成分，或以PP/PE/PP三层迭合为一。其制作方法为先将材料融熔挤出成膜，再进行单向或双向的拉伸，在拉伸的过程中，硬弹性材料垂直于挤出方向平行排列的片晶结构被拉开形成微孔，最后经由热定型制程固定此一微孔结构。此法使用的材料成本低廉，但为符合锂电池规格的所需，制程条件严格，导致隔离膜终端售价高昂，且其孔洞结构笔直，在锂电池负极端容易形成锂枝晶刺穿隔离膜形成短路，因此通常会制作热阻层或添加无机粒子减少短路造成的安全问题。

对锂电池系统而言，因聚烯烃类材料的极性低，而锂电池中所使用的电解液多半是含有锂盐溶解于其中的高介电系数、高极性的有机溶剂，两者之间的亲合性通常不尽理想，影响所及，电解液对隔离膜的润湿效果不好，因而整体的离子导电度将远低于电解液本身的离子导电度。为了改善两者的亲合性，提高润湿度，部分研究是针对于聚烯烃类材料进行表面改质，改善润湿效果，如美国专利案6322923号在一聚烯烃多孔膜上披覆一层胶态高分子以增强其润湿性；另一方法则是直接更换隔离膜材料，换为与电解液之间亲合力更高的材料，甚至能与阴阳极板之间也有更高的亲合力。

如前面所述，假若电池因为放热反应而过热，或是受到外部高热破坏时，隔离膜上的孔隙会关闭，使得电极间的离子无法传导，进而达到切断电池电流的功用。基本上闭孔(Shutdown)机制的启动是到达材料的熔点时，隔离膜会从固态转换成液态，以聚乙烯(Polyethylene)材质来说，其熔点大约在130℃左右。然而在熔融态中为了避免正负电极直接接触，在熔化前都必须维持其完整性。随着电池内部温度持续上升，隔离膜最终会熔化破裂(Meltdown)，造成正负极接触短路，进而导致爆炸。熔化破裂温度与闭孔温度的差异即为隔离膜的安全界线，在传统或一般的聚烯烃(Polyolefin；PO)隔离膜，其温度差相当小，大约是在30～50℃，且取决于原料的分子量。近年来隔离膜生产厂商已认知传统隔离膜(主要为聚乙烯)的缺点，并尝试一些方法来提升其安全性。其中无机复合隔离膜技术将是未来高能量电池发展所需的关键隔离膜材料技术。