一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构的制作方法

本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构。

背景技术：

电池作为当下绿色能源发展的主力军，其电性能以及安全性是人们关注的重点。而隔膜作为电池主要组成部分，其对电池起到举足轻重的作用。

目前，电池在电池包(pack)中的排布方式主要为直立式放置，这种放置方式，必然会使得电解液因重力作用，部分沉聚在电池底部。而当电解液需要被启用时，往往需要一定的时间才能将底部的电解液传递到上部，因此便会产生浓度差，严重影响了电池的倍率性能。同时，电池极组在卷绕时，由于张力不同导致部分位置的张力增大，相应部分电解液量会降低，造成在充放电过程中，会因电解液缺乏造成析锂或者死区，严重影响电池的安全性能。

因此，针对以上问题，目前迫切需要开发出相应的技术方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构。

为此，本发明提供了一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构，包括前后间隔分布的前表面层基膜和后表面层基膜；

前表面层基膜和后表面层基膜之间的空腔内，从上到下依次间隔设置有多个横向分布的储液夹层；

储液夹层，用于将前表面层基膜和后表面层基膜之间的空腔，分隔成多个独立的储液通道；

每个储液夹层包括多个依次连接在一起夹层单体；

夹层单体为开口向上的凹槽结构；

任意相邻的两个夹层单体之间的连接处，开有垂直上下贯通的互通孔。

其中，多个储液夹层等间隔分布在前表面层基膜和后表面层基膜之间的空腔内。

其中，夹层单体为开口向上的v型或者凹字形结构。

其中，前表面层基膜和后表面层基膜的厚度为2～50um。

其中，电池三维夹层隔膜结构的具体制备工序为：

首先，后表面层基膜表面，通过模具注塑方法形成多个储液夹层和后表面层基膜的初步复合，获得初步复合体，其中，两个夹层单体中间留有互通孔3；

随后，在储液夹层的前侧表面覆盖前表面层基膜，并控制热温度50～120℃，使初步复合体与前表面层基膜粘结，最终形成电池三维夹层隔膜结构。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构，其结构设计科学，可以可控实现电解液分级储存在不同高度层级处，从而防止了因电解液缺乏而导致的电池安全及电性能问题，具有重大的生产实践意义。

此外，本发明提供的具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构，灵活性较高，可以根据极片不同位置涂覆量的差异，灵活设计通道尺寸、分布位置以及密集度，从而可控定向分布电液。目前所有的隔膜都不具备此结构及功能。

附图说明

图1为本发明提供的一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构的结构示意图；

图2为本发明提供的一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构的立体分解结构示意图；

图3为本发明提供的一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构中，v型结构的夹层单体的结构示意图；

图4为本发明提供的一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构中，v型结构的夹层单体的微观形貌示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图4，本发明提供了一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构，包括前后间隔分布的前表面层基膜11和后表面层基膜12；

前表面层基膜11和后表面层基膜12之间的空腔内，从上到下依次间隔设置有多个横向分布的储液夹层2；

储液夹层2，用于将前表面层基膜11和后表面层基膜12之间的空腔，分隔成多个独立的储液通道(即多级储存电解液的通道、空腔)；

每个储液夹层2包括多个依次连接在一起夹层单体4；

夹层单体4为开口向上的凹槽结构(底部密封)；

任意相邻的两个夹层单体4之间的连接处，开有垂直上下贯通的互通孔3。

在本发明中，具体实现上，多个储液夹层2等间隔分布在前表面层基膜11和后表面层基膜12之间的空腔内。

在本发明中，具体实现上，夹层单体4优选为开口向上的v型或者凹字形结构，但不局限与此形状。

在本发明中，具体实现上，储液夹层2存在于两基膜平面层(即前表面层基膜11和后表面层基膜12)中间，通过胶连作用组合在一起。

在本发明中，具体实现上，前表面层基膜11和后表面层基膜12的厚度为2～50um。

在本发明中，具体实现上，储液夹层2中连接互通孔3的孔道深度以及宽度，可以根据注液量灵活设计，尺寸范围全部包括在本专利保护范围内。

需要说明的是，对于本发明，电解液在注入后，会分级保留在电芯的隔膜结构在不同高度方向上的多级储液通道内。且多层通道间具有一定的互通孔，但不影响通道内长久储存电解液。

在本发明中，具体实现上，前表面层基膜11和后表面层基膜12的材质，可以采用聚烯烃类材料，通过现有的干法或湿法制备，可以采用现有技术成熟的电池隔膜基膜。

在本发明中，具体实现上，位于前表面层基膜11和后表面层基膜12之间的储液夹层2，为pvdf(聚偏氟乙烯)胶制成的立体结构(但不局限于pvdf类物质，凡是可以满足制成设计结构的材料都在保护范围内)，其pvdf原料粉体尺寸为纳米级，非晶态区保持范围10～40％，将重量比为20％～67％的纳米级pvdf粉体溶解在nmp(n-甲基吡咯烷酮)或者dmf(二甲基甲酰胺)或万基甜菜碱bs-12乳液中，加热温度30℃以上，搅拌时间30min，充分溶解纳米级pvdf，至胶液粘度为2000～7000/cp。

在本发明中，具体实现上，本发明的电池三维夹层隔膜结构的具体制备工序为：首先，按照设定，在聚烯烃类的后表面层基膜12表面，通过模具注塑方法(现有的)形成连续夹层体(即多个储液夹层2)和后表面层基膜12的初步复合，获得初步复合体，其中，两个v形的夹层单体4中间留有微小空隙(互通孔3)，以保证注入电解液时，电解液能够在多层储液通道之间传递；随后，在储液夹层2的前侧表面覆盖前表面层基膜11，并控制热温度50～120℃，使初步复合体与前表面层基膜11粘结，最终形成电池三维夹层隔膜结构。

需要说明的是，对于储液夹层2，其采用的胶体应不局限与pvdf胶，包括范围扩展到任何能构成本形状的材料。所述方法保护不局限于上述方法，应包括任何制备此夹层结构的方法。

需要说明的是，前表面层基膜11和后表面层基膜12均为平面层，为两层平面结构，中间的储液夹层为立体v形的通道。基膜平面层与储液夹层可控组装为三维夹层结构。此三维结构可通过调控夹层结构的尺寸以及层间疏密度，实现可控分级将电液保存在不同夹层通道内，匹配不同极片位置对电解液的需求，提升了隔膜的保液能力，加快了电解液中离子的反应速度，使得电池的倍率性能提升。同时，此结构也避免了因张力不均导致的极组内电解液分布不均匀现象，解决了因此导致的析锂现象，提升了电池的安全性能。此外，本发明通过孔道分布的多层次、可设计性，可以根据极片不同位置涂覆量的不同，实现电解液可控分级分布的效果。目前的隔膜材料都不具有此结构。

为了更加清楚地本发明的技术方案，下面结合具体实施例进行说明。

参见图1至图4所示，本发明的一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构，其包括表面层和夹层体(即将前表面层基膜11和后表面层基膜12、储液夹层)，该储液夹层2为v形状，可以在坑道内储存电液。

前表面层基膜11和后表面层基膜12为聚烯烃材质，通过干法拉伸制备；中间的储液夹层为pvdf胶的立体结构，其pvdf原料粉体尺寸为纳米级，非晶态区保持范围22％，将纳米级pvdf溶解在nmp或者水系溶剂中，加热温度50℃，搅拌时间60min，充分溶解纳米级pvdf，至胶液达到粘度为5600cp。按照设定，在后表面层基膜12的高度方向表面(即前侧面)，通过模具注塑方法，形成多层级夹层体和后表面层基膜的初步复合，其中每两个v形中间留有微小空隙，以保证注电解液时多层之间传递。随后在夹层的前表面覆盖前表面层基膜，并控制热温度60℃，使初步复合体与前表面层基膜粘结，形成所述三维夹层结构。

对于本发明，根据极片涂覆量分布的差异，设计电芯高度方向上侧，孔道层次稍稀疏，电解液保留稍少。同理，下侧孔道密集，可以保存多的电解液。

与现有技术相比较，本发明提供的具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构具有如下有益效果：

1、本发明的电池三维夹层隔膜结构，可以避免因电池立式放置导致的电解液浓度梯度分布的弊端，其独特的保液结构，可以使得电解液中的锂离子快速启动，提升电池的电性能。

2、本发明的电池三维夹层隔膜结构，可以通过电解液的有效浸润，避免了因部分区域电解液匮乏导致的析锂，大大降低了电池的安全风险。

3、本发明的电池三维夹层隔膜结构，可以将电解液分段保留在电池高度的不同区域内，通过可控定制分级通道位置、深度以及密集程度，实现极片涂覆量与电解液量的匹配，避免了电解液的浪费以及电解液匮乏导致的安全问题。

4、本发明的电池三维夹层隔膜结构中，夹层结构所使用的纳米级pvdf颗粒可以实现电解液的有效保留。同时，本夹层结构一定程度上可以降低因温度升高导致隔膜收缩的风险，也可以对过程异物直接刺破隔膜起到缓冲作用，避免了以此带来的安全问题。

5、本发明的电池三维夹层隔膜结构因将电解液保留在定向分布在隔膜高度方向上，相对其他结构，可以加快极片的浸润，减少了生产过程中的静置时间，提升了生产效率。

6、本发明的电池三维夹层隔膜结构，可设计性较强。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构，其结构设计科学，可以可控实现电解液分级储存在不同高度层级处，从而防止了因电解液缺乏而导致的电池安全及电性能问题，具有重大的生产实践意义。

此外，本发明提供的具有分级保液能力的电池三维夹层隔膜结构，灵活性较高，可以根据极片不同位置涂覆量的差异，灵活设计通道尺寸、分布位置以及密集度，从而可控定向分布电液。目前所有的隔膜都不具备此结构及功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。