CN113363672A - 一种锂离子电池用喷涂隔膜及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池用喷涂隔膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池用喷涂隔膜，所述的喷涂隔膜包括多孔基膜、涂覆在基膜一侧的无机耐热涂层以及喷涂在无机耐热涂层侧和基膜另一侧的有机颗粒点状涂层。喷涂隔膜的总厚度为6‑50μm其中有机颗粒点状涂层厚度为0.5‑10μm，点状涂层的覆盖面积为基材表面积的10%‑60%，喷涂点的形状近似为圆形，单个点的面积为314μm2‑7mm2，单个喷涂点内有机颗粒的占比为40%‑100%，有机颗粒点状涂层具有粘接性，在电芯制备过程中可通过热压工艺将隔膜和电极可粘接在一起，提高电芯的硬度，缩短锂离子通道，提高电池的安全性能。

Description

一种锂离子电池用喷涂隔膜及其制备方法
技术领域
本发明是锂离子电池的技术领域，具体涉及一种新型的锂离子电池用喷涂隔膜及其制备方法。
背景技术
目前，陶瓷涂覆隔膜因其良好的耐热性和电解液浸润性已经广泛的应用于动力锂离子电池中。但是在电池的制作过程中，仍存在极片与隔膜贴合不紧密，电芯偏软等问题。为解决这一问题，新开发的锂离子电池隔膜是在陶瓷涂覆膜的基础上增加具有粘接性能的功能涂层，起到粘接正负极和隔膜的作用，以提高电芯的硬度，从而提高电池的安全性能。然而，现有的功能性涂层覆盖率高，往往会造成电池内阻增加，电池循环末期跳水。因而，需要合理的控制功能涂层的覆盖面积，使隔膜具有一定粘接性能的同时又不影响电池的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的技术问题，提供一种具有一定粘接性能，与此同时不影响锂离子电池内阻和循环性能的隔膜，同时提高隔膜的电解液吸液性、保液性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池用喷涂隔膜，包括多孔基膜、涂覆在基膜一侧的无机耐热涂层和喷涂在无机耐热涂层测和基膜另一侧的有机颗粒点状涂层，喷涂隔膜的总厚度控制在6-50 μm范围内。
所述的多孔基膜材料选自聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰亚胺（PI）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）中的一种或几种，基膜厚度为3-25 μm，孔隙率为20%-80%，透气度为50-800 s/100cc。
所述的无机耐热涂层厚度为1-10 μm，主要包含无机填料、增稠剂和粘接剂树脂。
所述的无机填料为氧化铝、勃姆石、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化镁及氢氧化镁中的一种或几种，比表面积为2-10 m2/g。
所述的有机颗粒点状涂层厚度为0.5-10 μm，点状涂层的覆盖面积为基材表面积的10%-60%，喷涂点的形状近似为圆形，单个喷涂点的面积为314 μm2-7 mm2，单个喷涂点内有机颗粒的占比为40%-100%，与极片的粘接强度＞0.1 N/m。
所述有机颗粒点状涂层所用的浆料由以下原料组成：质量比为65%-90%的水溶液，质量比为5%-30%的有机聚合物，质量比为0.01%-10%的增稠剂，质量比为0.1%-5%的粘结剂，质量比为0.001%-1%的润湿剂，浆料固含量为5%-30%，粘度为5-100 mpa·s。
所述的有机颗粒包括聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物、四氟乙烯和二氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或者两种以上混合物。
所述增稠剂包括羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯醇及海藻酸钠中任意一种或几种。
所述粘结剂树脂为水溶性聚合物，包括聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯及聚乙烯醇的一种或几种。
一种锂离子电池用喷涂隔膜及其制备方法，按下述方法制备：
（1）制备无机耐热层浆料，然后涂覆在基膜一侧，烘干后得到无机耐热层；
（2）制备有机颗粒点状涂层浆料：
A.将有机聚合物粉末和增稠剂混合，搅拌捏合成均一的奶油状混合物；
B.在搅拌作用下向A中加入水溶液调节浆料的固含量并继续搅拌均匀，成均一溶液；
C.继续向B中加入粘结剂，混合均匀，得到成品浆料；
（3）将（2）中配制的浆料通过旋转喷涂的方式涂覆在基膜的另一侧和无机涂层侧，得到有机颗粒点状涂层；
（4）在烘箱中干燥，获得所述的锂离子电池用喷涂隔膜。
所述步骤（1）中的涂覆方式采用凹版辊涂布、线棒涂布、狭缝涂布、浸涂中的其中一种。
所述步骤（2）中有机聚合物和增稠剂捏合时间应≥20 min。
所述的旋转喷涂的转速为3000-15000 r/min，旋转喷涂车速为10-150 m/min。
所述步骤（4）中烘干温度≤90 ℃。
本发明提供了一种锂离子电池用喷涂隔膜的制备方法，先将制备好的无机浆料涂覆在多孔基膜一侧得到无机耐热层，提高隔膜的耐热性能，大大提高了电池的安全性能；而后通过旋转喷涂的方式将制备的有机浆料涂覆在无机涂覆膜的两侧，使隔膜两面具有粘接性能。其制备方法简单，对设备要求低，条件易控，适于工业化生产。
附图说明
图1为本发明锂离子电池用喷涂隔膜的结构示意图。
图2为喷涂点状涂层有机颗粒点的分布示意图。
图3为实施例1中喷涂隔膜扫描电镜图。
1-多孔基膜，2-无机耐热涂层，3-有机颗粒点状涂层。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做详细描述，下列实施例仅用于说明本发明，但并不用于限定本发明的实施范围。
实施例1
a、制备陶瓷浆料：将比表面积为5 m2/g的无机填料氧化铝粉加入到水溶剂中搅拌均匀，而后加入增稠剂搅拌均匀调节浆料的粘度，研磨后加入一定量的粘结剂和润湿剂，混合均匀后获得成品无机涂层浆料。
b、无机浆料的涂覆：选取厚度为9 μm的湿法同步双拉聚乙烯隔膜，孔隙率为40%，透气度为160 s/100cc，采用微凹版辊式涂覆方式将a步骤中制备的陶瓷浆料涂覆与基膜的一侧，涂覆速度为100 m/min，烘干后得到陶瓷涂覆隔膜，陶瓷涂层厚度为3 μm。
c、制备PVDF喷涂涂层浆料：称取一定量的聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物粉末和增稠剂羧甲基纤维素钠混合，搅拌捏合60 min，形成均一的奶油状混合物，然后在搅拌作用下加入超纯水调节浆料的固含量并形成均一溶液；最后向上述均一溶液中加入粘接剂，搅拌混合均匀，得到PVDF浆料。
d、PVDF浆料的涂覆：采用高速旋转喷涂的方式将c步骤中配制的PVDF浆料同时涂覆在上述陶瓷涂覆膜的两侧，涂布速度为30 m/min，旋转喷头的转速为10000 rpm/min，烘干后得到喷涂隔膜。单层PVDF喷涂涂层厚度为3 μm，PVDF喷涂点的面积占基膜面积的30%，单个PVDF喷涂点中PVDF覆盖面积约占喷涂点面积的50%。PVDF喷涂层的扫描电镜如图3所示。
上述锂离子电池用喷涂隔膜的厚度为17.5 μm，陶瓷涂层厚度为3 μm，双面PVDF涂层厚度为5.5 μm。利用平板热压机在85 ℃、1 Mpa、5 min条件下将该喷涂隔膜和正极极片进行热压处理，而后使用拉力机测试其粘接强度，测试结果为0.9 N/m2。
实施例2
a、制备勃姆石浆料：将勃姆石粉加入到水溶剂中搅拌分散，而后加入增稠剂搅拌均匀调节浆料的粘度，最后加入一定量的粘结剂和润湿剂，混合均匀后获得成品勃姆石浆料。
b、勃姆石浆料的涂覆：选取厚度为12 μm的湿法异步拉伸聚乙烯隔膜，孔隙率为42%，采用窄缝式涂覆方式将a步骤中制备的勃姆石浆料涂覆在基膜的一侧，涂覆速度为60m/min，烘干后得到勃姆石涂覆隔膜，勃姆石涂层的厚度为4 μm。
c、制备PVDF喷涂涂层浆料：称取一定量的聚偏氟乙烯粉末和羟乙基纤维素混合，搅拌捏合30 min，形成均一的奶油状混合物，然后在搅拌作用下加入超纯水调节浆料的固含量并形成均一溶液；最后向上述均一溶液中加入粘接剂，搅拌混合均匀，得到PVDF浆料。
d、PVDF浆料的涂覆：采用高速旋转喷涂的方式将c步骤中配制的PVDF浆料同时涂覆在上述勃姆石涂覆膜的两侧，涂布速度为30 m/min，旋转喷头的转速为8000 rpm/min，烘干后得到喷涂隔膜。单层PVDF喷涂涂层厚度为3 μm，单层PVDF喷涂点的面积占基膜面积的25%。
上述锂离子电池用喷涂隔膜的厚度为22 μm，勃姆石涂层厚度为4 μm，双面PVDF涂层厚度为6 μm。利用平板热压机在85 ℃、1 Mpa、5 min条件下将该喷涂隔膜和正极极片进行热压处理，而后使用拉力机测试其粘接强度，测试结果为1.2 N/m2。
实施例3
a、制备陶瓷浆料：将比表面积为5 m2/g的无机填料氧化铝粉加入到水溶剂中搅拌均匀，而后加入增稠剂搅拌均匀调节浆料的粘度，研磨后加入一定量的粘结剂和润湿剂，混合均匀后获得成品无机涂层浆料。
b、无机浆料的涂覆：选取厚度为9 μm的湿法同步双拉聚乙烯隔膜，孔隙率为40%，透气度为160 s/100cc，采用微凹版辊式涂覆方式将a步骤中制备的陶瓷浆料涂覆与基膜的一侧，涂覆速度为100 m/min，烘干后得到陶瓷涂覆隔膜，陶瓷涂层厚度为3 μm。
c、制备聚甲基丙烯酸甲酯喷涂涂层浆料：称取一定量的聚甲基丙烯酸甲酯和增稠剂羧甲基纤维素钠混合，搅拌20 min，然后在搅拌作用下加入超纯水调节浆料的固含量并形成均一溶液；最后向上述均一溶液中加入粘接剂和润湿剂，搅拌混合均匀，得到聚甲基丙烯酸甲酯浆料。
d、聚甲基丙烯酸甲酯浆料的涂覆：采用高速旋转喷涂的方式将c步骤中配制的聚甲基丙烯酸甲酯浆料同时喷涂在上述陶瓷涂覆膜的两侧，涂布速度为40 m/min，旋转喷头的转速8000 rpm/min，65 ℃烘干后得到喷涂隔膜。单层聚甲基丙烯酸甲酯喷涂涂层厚度为2 μm，喷涂点的面积占基膜面积的30%，单个喷涂点中聚甲基丙烯酸甲酯颗粒覆盖面积约占喷涂点面积的100%。
上述锂离子电池用喷涂隔膜的厚度为15.9 μm，陶瓷涂层厚度为2.9 μm，双面PVDF涂层厚度为4.0 μm。利用平板热压机在85 ℃、1 Mpa、5 min条件下将该喷涂隔膜和正极极片进行热压处理，而后使用拉力机测试其粘接强度，测试结果为2.8 N/m2。
对比例4
使用实施例1中的陶瓷浆料制备9+3陶瓷涂覆膜，然后使用微凹版辊涂覆的方式在9+3陶瓷膜的两面分别涂覆实施例1中的PVDF浆料，下表为两种该产品与实施例1中成品的对比，微凹版辊涂覆成品PVDF覆盖率高，造成透气度大，使得电池内阻偏大，而利用喷涂制得的隔膜覆盖率低，透气度小，电池内阻基本与陶瓷膜电池内阻相近。
Figure 95288DEST_PATH_IMAGE001

Claims (15)

1.一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述的喷涂隔膜包括多孔基膜、涂覆在基膜一侧的无机耐热涂层以及喷涂在无机耐热涂层侧和基膜另一侧的有机颗粒点状涂层；所述喷涂隔膜的总厚度为6-50 μm，其中有机颗粒点状涂层厚度为0.5 μm-10 μm，点状涂层的覆盖面积为基材表面积的10%-60%，喷涂点的形状采用近似圆形，单个喷涂点的面积为314μm2-7 mm2，单个喷涂点内有机颗粒的占比为40-100%，与极片的粘接强度＞0.1 N/m。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述多孔基膜的材料选自聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚酰亚胺（PI）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）、聚酰胺（PA）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）中的一种或几种，基膜厚度为3-25 μm，孔隙率为20%-80%，透气度为50-800 s/100cc。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述无机耐热涂层厚度为1-10 μm，主要为无机填料、增稠剂和粘结剂树脂。
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述无机填料为氧化铝、勃姆石、二氧化硅、二氧化钛、氧化锆、氧化镁及氢氧化镁中的任意一种或两种以上的混合物，其比表面积为2-10 m2/g。
5.根据权利要求3所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述增稠剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯醇及海藻酸钠中任意一种或几种。
6.根据权利要求3所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述粘结剂树脂为水溶性聚合物，包括聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯及聚乙烯醇的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述有机颗粒点状涂层所用的浆料由以下原料组成：质量比为65%-90%的水溶液，质量比为5%-30%的有机聚合物，质量比为0.01%-10%的增稠剂，质量比为0.1%-5%的粘结剂，质量比为0.001%-1%的润湿剂，浆料固含量为5%-30%，粘度为5-100 mpa·s。
8.根据权利要求7所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述有机颗粒包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（PVDF-HFP）、聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）、聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯共聚物（PVDF-CTFE）、四氟乙烯和二氟乙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或者两种以上混合物。
9.根据权利要求7所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述增稠剂包括羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、羧乙基纤维素、甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、聚丙烯醇及海藻酸钠中任意一种或几种。
10.根据权利要求7所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜，其特征在于，所述粘结剂树脂为水溶性聚合物，包括聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯及聚乙烯醇的一种或几种。
11.一种制备权利要求1中锂离子电池用喷涂隔膜的方法，其特征在于，
（1）制备无机耐热层浆料，然后涂覆在基膜一侧，烘干后得到无机耐热层；
（2）制备有机颗粒点状涂层浆料：
A.将有机聚合物、增稠剂混合，搅拌捏合成均一的奶油状混合物；
B.在搅拌作用下向A中加入水溶液调节浆料的固含量并继续搅拌均匀，成均一溶液；
C.向B中加入粘结剂和润湿剂，混合均匀，得到成品浆料；
（3）将（2）中的浆料通过旋转喷涂的方式涂覆在基膜的另一侧和无机涂层侧；
（4）在烘箱中干燥，获得所述的锂离子电池喷涂隔膜。
12.根据权利要求11所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的涂覆方式采用凹版辊涂布、线棒涂布、狭缝涂布、浸涂中的其中一种。
13.根据权利要求11所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜制备方法，其特征在于，所述有机聚合物和增稠剂捏合时间≥20 min。
14.根据权利要求11所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜制备方法，其特征在于，所述喷涂车速为10-150 m/min，旋转喷涂的转速为3000-15000 r/min。
15. 根据权利要求11所述的一种锂离子电池用喷涂隔膜制备方法，其特征在于，所述烘干温度≤90 ℃。
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