CN117820599B - 紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法、正极浆料及其制备方法、正极极片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域,公开了一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法,包括含磷三醇的合成、三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯的合成和紫外光固化增柔防开裂剂的合成三个步骤,还公开了正极浆料及其制备方法、正极极片的制备方法。本发明所述的一种紫外光固化增柔防开裂剂不仅可以明显改善正极极片浆料的开裂程度、增加正极极片的柔韧性、剥离力,还可以进一步地改善正极浆料的黏度以及稳定性,而且制作工艺简单,无需两层涂布等复杂的工艺条件就可以实现正极极片增厚、防开裂的功能,适用于工业生产。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法、正极浆料及其制备方法、正极极片的制备方法。
背景技术
随着新能源汽车行业的蓬勃发展,新能源汽车市场对锂离子动力电池的能量密度、循环寿命、电池成本和安全性能不断提出更高的要求。因此,电池厂商高度重视锂离子电池生产过程中的品质管控,努力提高产品的质量和一致性,并尽可能降低生产成本。
极片的制造在整个锂离子电池工艺开发中占据着重要位置,极片品质的好坏不仅影响电池中段组装工序,还会对后段工序、电池的电化学性能和安全性能产生关键性的影响,研究表明极片制造技术可以大幅度降低电池制造成本。在实际的极片涂布和干燥过程中可能出现各种涂布和干燥缺陷,不利于制备具有均一厚度和面密度的极片,严重影响极片性能和良品率。在极片涂布和干燥过程中,可能出现的缺陷主要分为三类:点状缺陷、线状缺陷和边缘缺陷。这些缺陷的主要原因有:浆料柔韧性差、应力大;极片表面存在团聚体颗粒;涂布过程中受到较低表面张力物体(如油滴、灰尘等)的污染;湿膜中的气泡从内层向表面迁移,在膜表面破裂;浆料粘度太低或固含量过低;极片面密度不均匀;浆料与基材表面张力不匹配等。从而会导致刺破隔膜、短路的安全隐患,对电池的电压、电压衰减和循环寿命等造成不利影响。其中,团聚体颗粒、气泡、污染物、粘度和固含量可以通过分散剂、脱泡机等现有手段解决,降低涂层厚度可以改善柔韧性,但是对极片的能量密度有很大影响,但是浆料本身柔韧性差的问题没有太好的解决办法,如专利CN 116493219 A中公开了一种用于防止极片开裂的雾化***,但是其缺点是一方面成本较高,另一方面工作环境的湿度会变大,而目前正极浆料溶剂还是以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为主,否则开裂问题更严重,浆料与烘干过程中极片没有挥发的NMP容易吸收空气中的水分导致PVDF溶解度降低,从而导致浆料凝胶成果冻状影响加工性能。
因此,有必要研发一种紫外光固化增柔防开裂剂,来解决上述问题。
发明内容
本发明目的是提供一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法、正极浆料及其制备方法、正极极片的制备方法。
本发明的技术方案是:
一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法,包括:
步骤一,含磷三醇的合成:将缩水甘油醚加入至第一反应瓶中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二酯在1h内缓慢加入至所述第一反应瓶中,继续搅拌,保持温度在70℃,当所述磷酸二酯加完后,升温至90~100℃,再反应3h,至反应物pH值低于10、环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇;
步骤二,三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯的合成:将二异氰酸酯加入至第二反应瓶中,搅拌并加热至40~50℃,将对苯二酚和二月桂酸二丁基锡加入至所述第二反应瓶中,再将丙烯酸羟基酯缓慢加入至所述第二反应瓶中,并保温在40~50℃,当反应物中的异氰酸酯含量恒定时,得到半加成物,将所述含磷三醇和活性稀释剂快速加入至所述第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯,其中,所述二月桂酸二丁基锡与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.5:100~1:100;所述对苯二酚与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.1:100~0.2:100;所述丙烯酸羟基酯与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.95:1~1:1;所述含磷三醇与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.33:1~0.35:1;所述活性稀释剂与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.25:1~0.5:1;
步骤三,紫外光固化增柔防开裂剂的合成:将光引发剂加入至所述三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯中,室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,其中,所述光引发剂的添加量占所述紫外光固化增柔防开裂剂总重量的2%~10%。
进一步的,步骤一的反应式为:
,
其中,
a为磷酸二酯;
b为缩水甘油醚;
p为含磷三醇;
R为正丁基、甲基、苯基、甲苯基中的任意一种;
R1的结构式为:
。
进一步的,在步骤一中,所述磷酸二酯与所述缩水甘油醚的摩尔比为3:1。
设所述含磷三醇的缩写结构式为:
,
则步骤二的反应式为:
,
其中,
c为二异氰酸酯;
d为丙烯酸羟基酯;
e为半加成物;
p为含磷三醇;
f为三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯;
R2为甲苯基、六亚甲基、异佛尔酮基、间苯二甲基、二苯亚甲基中的任意一种;
R3为乙基、丙基中的任意一种。
进一步的,所述磷酸二酯为磷酸二丁酯、磷酸二甲酯、磷酸二苄酯、磷酸二苯酯中的任意一种;所述二异氰酸酯为甲苯-2,4-二异氰酸酯、甲苯-2,6-二异氰酸酯、异佛二酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、间二甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯中的任意一种;所述丙烯酸羟基酯为丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的任意一种;所述活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸异丙冰片酯、甲基丙烯酸四氢呋喃甲酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、N-乙烯吡咯烷酮、1,6-己二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、二缩丙二醇二丙烯酸酯、三缩丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中的任意一种或多种的组合;所述光引发剂为二苯甲酮、P-(2乙基氨基)二苯甲酮、2-(对-甲氧基苯基)-4,5-二苯基咪咄二聚物、2,2-二氯-4-苯氧苯乙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-二甲氨基-2-苄基-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮、苯甲酰甲酸甲酯中的任意一种或多种的组合。
本发明的另一技术方案是:
一种紫外光固化增柔防开裂剂的正极浆料,包括:固体物料和有机溶剂,所述有机溶剂的重量占所述正极浆料总重量的40wt%,所述固体物料以总重量为100wt%计算,包括:紫外光固化增柔防开裂剂0.1wt%、粘结剂2wt%、导电剂2.5wt%、磷酸铁锂95.4wt%,所述粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸中的任意一种或多种的组合;所述导电剂为KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、乙炔黑、Super P、Super S、350G、碳纤维、碳纳米管、活性炭中的任意一种或多种的组合;所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、丙酸甲酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的任意一种或多种的组合。
进一步的,将有机溶剂、紫外光固化增柔防开裂剂、粘结剂、导电剂混合,最后加入磷酸铁锂再混合均匀,获得正极浆料。
本发明的第三种技术方案是:
一种正极浆料的正极极片的制备方法,以铝箔为基材,在所述基材上涂覆正极浆料,所述正极浆料的涂覆厚度为350µm,然后放置于带有紫外光照射的烘箱中,在温度为140℃的条件下烘干1h,获得正极极片。
本发明提供了一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法、正极浆料及其制备方法、正极极片的制备方法,有益效果为:
1、本发明制备的正极浆料,在具有高固含的同时粘度更低,更稳定,可以减少分散剂的使用量;
2、本发明制备的正极浆料在涂布高厚度的极片时极片也不易开裂;
3、本发明正极浆料的制备工艺流程简单;
4、本发明制备的正极浆料对铝箔的附着力高;
5、本发明制备的正极浆料柔韧性好,不需使用复杂的涂布工艺,降低了生产成本。
附图说明
图1为利用本发明实施例1中所制备的一种紫外光固化增柔防开裂剂制得的正极极片的开裂程度放大图;
图2为利用本发明实施例2中所制备的一种紫外光固化增柔防开裂剂制得的正极极片的开裂程度放大图;
图3为利用本发明实施例3中所制备的一种紫外光固化增柔防开裂剂制得的正极极片的开裂程度放大图;
图4为利用本发明实施例4中所制备的一种紫外光固化增柔防开裂剂制得的正极极片的开裂程度放大图;
图5为利用本发明实施例5中所制备的一种紫外光固化增柔防开裂剂制得的正极极片的开裂程度放大图;
图6为对比例1中的正极极片的开裂程度放大图;
图7为对比例2中的正极极片的开裂程度放大图。
具体实施方式
本发明所述的紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法,如下:
步骤一,含磷三醇(p)的合成:将适量的缩水甘油醚(b)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第一反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二酯(a)在1h内缓慢地加入第一反应瓶中,继续搅拌,保持温度在70℃,当磷酸二酯(a)加完后,升温至90~100℃再反应约3h,最终使反应物pH值低于10,环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇(p)。具体反应式如下:
,
其中,磷酸二酯(a)与缩水甘油醚(b)的摩尔比为3:1;磷酸二酯(a)中的R代表正丁基(n-butyl)、甲基、苯基、甲苯基中的任意一种;磷酸二酯(a)选自磷酸二丁酯、磷酸二甲酯、磷酸二苄酯、磷酸二苯酯中的任意一种;缩水甘油醚(b)中的R1代表如下结构式:
。
由于含磷三醇(p)的结构式较为复杂,为了便于理解下面的步骤,所以将本步骤制得的含磷三醇(p)缩写为如下结构式:
。
步骤二,三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)的合成:将适量的二异氰酸酯(c)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第二反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌,加热至40~50℃,将适量的对苯二酚(HQ)和二月桂酸二丁基锡(DBTDL)加入第二反应瓶中,再将丙烯酸羟基酯(d)缓慢加入第二反应瓶中,并保温在40~50℃,当反应物中的异氰酸酯含量wNCO不再变化时,得到半加成物(e),再将含磷三醇(p)和适量活性稀释剂快速加入第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)。具体反应式如下:
,
其中,二月桂酸二丁基锡与二异氰酸酯(c)的摩尔比为0.5:100~1:100,对苯二酚与二异氰酸酯(c)的摩尔比为0.1:100~0.2:100,丙烯酸羟基酯(d)与二异氰酸酯(c)的摩尔比为0.95:1~1:1,含磷三醇(p)与二异氰酸酯(c)的摩尔比为0.33:1~0.35:1,活性稀释剂与二异氰酸酯(c)的摩尔比为0.25:1~0.5:1;二异氰酸酯(c)中的R2代表甲苯基、六亚甲基、异佛尔酮基、间苯二甲基、二苯亚甲基中的任意一种,二异氰酸酯(c)选自甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)、甲苯-2,6-二异氰酸酯(TDI)、异佛二酮二异氰酸酯(IPDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、间二甲苯二异氰酸酯(XDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)中的任意一种;丙烯酸羟基酯(d)中的R3代表乙基、丙基中的任意一种,丙烯酸羟基酯(d)选自丙烯酸羟乙酯(HEA)、丙烯酸羟丙酯(HPA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、甲基丙烯酸羟丙酯(HPMA)中的任意一种,优选丙烯酸羟乙酯(HEA);活性稀释剂选自甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、甲基丙烯酸异丙冰片酯(IBOA)、甲基丙烯酸四氢呋喃甲酯(THFFA)、苯乙烯(ST)、醋酸乙烯酯(VA)、N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)、新戊二醇二丙烯酸酯(NPGDA)、二缩丙二醇二丙烯酸酯(DPGDA)、三缩丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)中的任意一种或多种,优选三缩丙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)。
步骤三,紫外光固化增柔防开裂剂的合成:将适当光引发剂加入三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f),室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,
其中,光引发剂的添加量占紫外光固化增柔防开裂剂总重量的2%-10%;光引发剂选自二苯甲酮、P-(2乙基氨基)二苯甲酮、2-(对-甲氧基苯基)-4,5-二苯基咪咄二聚物、2,2-二氯-4-苯氧苯乙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-二甲氨基-2-苄基-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮、苯甲酰甲酸甲酯中的任意一种或多种,优选二苯甲酮。
上述紫外光固化增柔防开裂剂可以作为正极浆料的原料之一。正极浆料由固体物料和有机溶剂组成,其中,有机溶剂的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料以总重量为100wt%计,包括0.1wt%的紫外光固化增柔防开裂剂、2wt%的粘结剂、2.5wt%的导电剂以及95.4wt%的磷酸铁锂。其中,粘结剂选自聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸中的任意一种或多种,优选孚诺林(2032);导电剂选自KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、乙炔黑、Super P、Super S、350G、碳纤维、碳纳米管、活性炭中的任意一种或者多种,优选KS-6和Super P;有机溶剂选自N-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、丙酸甲酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的任意一种或多种,优选N-甲基吡咯烷酮。
在上述正极浆料的制备过程中,有机溶剂、紫外光固化增柔防开裂剂、粘结剂、导电剂的混合顺序无特别限制,磷酸铁锂在最后加入,将正极浆料通过搅拌、超声等方式分散均匀,优选高速脱泡机搅拌均匀。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:以铝箔为基材,将正极浆料均匀涂覆于基材上,使涂覆的正极浆料形成350µm的厚度,再将基材放置于带有紫外光照射的烘箱中,140℃烘干1h。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1,本实施案例按如下步骤展示一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法为:
步骤一:含磷三醇(p)的合成
将适量的缩水甘油醚(b)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第一反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二丁酯(a)在1h内缓慢地加入第一反应瓶中,磷酸二丁酯(a)与缩水甘油醚(b)的摩尔比为3:1,继续搅拌,保持温度在70℃,当磷酸二丁酯(a)加完后,升温至100℃再反应约3h,最终使反应物pH值低于10,环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇(p)。具体反应式如下:
,
其中,磷酸二丁酯(a)中的R代表正丁基(n-butyl);缩水甘油醚(b)中的R1代表如下结构式:
,
由于含磷三醇(p)的结构式较为复杂,为了便于理解下面的步骤,所以将本步骤制得的含磷三醇(p)缩写为如下结构式:
;
步骤二:三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)的合成
将适量的甲苯2,4-二异氰酸酯(c)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第二反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌,加热至40℃,将适量的对苯二酚和二月桂酸二丁基锡加入第二反应瓶中,再将丙烯酸羟乙酯(d)缓慢加入第二反应瓶中,并保温在40℃,当反应物的wNCO不再变化时,得到半加成物(e),再将含磷三醇(p)和适量三缩丙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯快速加入第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)。具体反应式如下:
,
其中,对苯二酚与甲苯2,4-二异氰酸酯的摩尔比为0.5:100,二月桂酸二丁基锡与甲苯2,4-二异氰酸酯的摩尔比为0.2:100,丙烯酸羟乙酯与甲苯2,4-二异氰酸酯的摩尔比为1:1,含磷三醇与甲苯2,4-二异氰酸酯的摩尔比为0.33:1,三缩丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与甲苯2,4-二异氰酸酯的摩尔比为0.15:0.1:1;甲苯2,4-二异氰酸酯(c)中的R2代表甲苯基、丙烯酸羟乙酯(d)中的R3代表乙基;
步骤三:紫外光固化增柔防开裂剂的合成
将适量的二苯甲酮加入三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯,室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,其中,二苯甲酮占紫外光固化增柔防开裂剂总量的5%。
上述紫外光固化增柔防开裂剂可以作为正极浆料的原料之一。正极浆料由固体物料和N-甲基吡咯烷酮组成,其中,N-甲基吡咯烷酮的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料配方如下:0.1wt%的紫外光固化增柔防开裂剂、2wt%的孚诺林(2032)、1wt%的KS-6、1.5wt%的Super P和95.4wt%的磷酸铁锂。
在上述正极浆料的制备过程中,先将紫外光固化增柔防开裂剂、孚诺林(2032)、KS-6、Super P以及N-甲基吡咯烷酮混合在一起,以800rpm/min的转速在脱泡机中搅拌20s,再加入磷酸铁锂以2000rpm/min的转速在脱泡机搅拌20min,得到正极浆料。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:以铝箔为基材,将正极浆料均匀涂覆于基材上,使涂覆的正极浆料形成350µm的厚度,再将基材放置于带有紫外光照射的烘箱中,140℃烘干1h,获得正极极片。
辊压极片至压实密度达到2.4g/m3,测试极片剥离力。
实施例2,本实施案例按如下步骤展示一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法为:
步骤一:含磷三醇(p)的合成
将适量的缩水甘油醚(b)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第一反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二甲酯(a)在1h内缓慢地加入第一反应瓶中,磷酸二甲酯(a)与缩水甘油醚(b)的摩尔比为3:1,继续搅拌,保持温度在70℃。当磷酸二甲酯(a)加完后,升温至95℃再反应约3h,最终使反应物pH值低于10,环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇(p)。具体反应式如下:
,
其中,磷酸二甲酯(a)中的R代表甲基;缩水甘油醚(b)中的R1代表如下结构式:
,
由于含磷三醇(p)的结构式较为复杂,为了便于理解下面的步骤,所以将本步骤制得的含磷三醇(p)缩写为如下结构式:
;
步骤二:三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)的合成
将适量的异佛尔酮二异氰酸酯(c)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第二反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌,加热至45℃,将适量的对苯二酚和二月桂酸二丁基锡加入第二反应瓶中,再将丙烯酸羟乙酯(d)缓慢加入第二反应瓶中,并保温在45℃。当反应物的wNCO不再变化时,得到半加成物(e),再将含磷三醇(p)和适量三缩丙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯快速加入第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)。具体反应式如下:
,
其中,对苯二酚与异佛尔酮二异氰酸酯的摩尔比为0.75:100,二月桂酸二丁基锡与异佛尔酮二异氰酸酯的摩尔比为0.15:100,丙烯酸羟乙酯与异佛尔酮二异氰酸酯的摩尔比为0.95:1,含磷三醇与异佛尔酮二异氰酸酯的摩尔比为0.34:1,三缩丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与异佛尔酮二异氰酸酯的摩尔比为0.2:0.15:1;异佛尔酮二异氰酸酯(c)中的R2代表异佛尔酮基、丙烯酸羟乙酯(d)中的R3代表乙基;
步骤三:紫外光固化增柔防开裂剂的合成
将适量的二苯甲酮加入三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯,室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,其中,二苯甲酮占紫外光固化增柔防开裂剂总量的2%。
上述紫外光固化增柔防开裂剂可以作为正极浆料的原料之一。正极浆料由固体物料和N-甲基吡咯烷酮组成,其中,N-甲基吡咯烷酮的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料配方如下:0.1wt%的紫外光固化增柔防开裂剂、2wt%的孚诺林(2032)、1wt%的KS-6、1.5wt%的Super P和95.4wt%的磷酸铁锂。
在上述正极浆料的制备过程中,先将紫外光固化增柔防开裂剂、孚诺林(2032)、KS-6、Super P以及N-甲基吡咯烷酮混合在一起,以800rpm/min的转速在脱泡机中搅拌20s,再加入磷酸铁锂以2000rpm/min的转速在脱泡机搅拌20min,得到正极浆料。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:以铝箔为基材,将正极浆料均匀涂覆于基材上,使涂覆的正极浆料形成350µm的厚度,再将基材放置于带有紫外光照射的烘箱中,140℃烘干1h,获得正极极片。
辊压极片至压实密度达到2.4g/m3,测试极片剥离力。
实施例3,本实施案例按如下步骤展示一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法为:
步骤一:含磷三醇(p)的合成
将适量的缩水甘油醚(b)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第一反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二苄酯(a)在1h内缓慢地加入第一反应瓶中,磷酸二苄酯(a)与缩水甘油醚(b)的摩尔比为3:1,继续搅拌,保持温度在70℃,当磷酸二苄酯(a)加完后,升温至90℃再反应约3h,最终使反应物pH值低于10,环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇(p)。具体反应式如下:
,
其中,磷酸二苄酯(a)中的R代表甲苯基;缩水甘油醚(b)中的R1代表如下结构式:
,
由于含磷三醇(p)的结构式较为复杂,为了便于理解下面的步骤,所以将本步骤制得的含磷三醇(p)缩写为如下结构式:
;
步骤二:三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)的合成
将适量的六亚甲基二异氰酸酯(c)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第二反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌,加热至50℃,将适量的对苯二酚和二月桂酸二丁基锡加入第二反应瓶中,再将丙烯酸羟乙酯(d)缓慢加入第二反应瓶中,并保温在50℃。当反应物的wNCO不再变化时,得到半加成物(e),再将含磷三醇(p)和适量三缩丙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯快速加入第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)。具体反应式如下:
,
其中,对苯二酚与六亚甲基二异氰酸酯的摩尔比为1:100,二月桂酸二丁基锡与六亚甲基二异氰酸酯的摩尔比为0.1:100,丙烯酸羟乙酯与六亚甲基二异氰酸酯的摩尔比为0.95:1,含磷三醇与六亚甲基二异氰酸酯的摩尔比为0.35:1,三缩丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与六亚甲基二异氰酸酯的摩尔比为0.1:0.25:1;六亚甲基二异氰酸酯(c)中的R2代表六亚甲基、丙烯酸羟乙酯(d)中的R3代表乙基;
步骤三:紫外光固化增柔防开裂剂的合成
将适量的二苯甲酮加入三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯,室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,其中,二苯甲酮占紫外光固化增柔防开裂剂总量的7%。
上述紫外光固化增柔防开裂剂可以作为正极浆料的原料之一。正极浆料由固体物料和N-甲基吡咯烷酮组成,其中,N-甲基吡咯烷酮的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料配方如下:0.1wt%的紫外光固化增柔防开裂剂、2wt%的孚诺林(2032)、1wt%的KS-6、1.5wt%的Super P和95.4wt%的磷酸铁锂。
在上述正极浆料的制备过程中,先将紫外光固化增柔防开裂剂、孚诺林(2032)、KS-6、Super P以及N-甲基吡咯烷酮混合在一起,以800rpm/min的转速在脱泡机中搅拌20s,再加入磷酸铁锂以2000rpm/min的转速在脱泡机搅拌20min,得到正极浆料。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:以铝箔为基材,将正极浆料均匀涂覆于基材上,使涂覆的正极浆料形成350µm的厚度,再将基材放置于带有紫外光照射的烘箱中,140℃烘干1h,获得正极极片。
辊压极片至压实密度达到2.4g/m3,测试极片剥离力。
实施例4,本实施案例按如下步骤展示一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法为:
步骤一:含磷三醇(p)的合成
将适量的缩水甘油醚(b)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第一反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二苯酯(a)在1h内缓慢地加入第一反应瓶中,磷酸二苯酯(a)与缩水甘油醚(b)的摩尔比为3:1,继续搅拌,保持温度在70℃,当磷酸二苯酯(a)加完后,升温至100℃再反应约3h,最终使反应物pH值低于10,环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇(p)。具体反应式如下:
,
其中,磷酸二苯酯(a)中的R代表苯基;缩水甘油醚(b)中的R1代表如下结构式:
,
由于含磷三醇(p)的结构式较为复杂,为了便于理解下面的步骤,所以将本步骤制得的含磷三醇(p)缩写为如下结构式:
;
步骤二:三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)的合成
将适量的间二甲苯二异氰酸酯(c)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第二反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌,加热至45℃,将适量的对苯二酚和二月桂酸二丁基锡加入第二反应瓶中,再将丙烯酸羟乙酯(d)缓慢加入第二反应瓶中,并保温至45℃。当反应物的wNCO不再变化时,得到半加成物(e),再将含磷三醇(p)和适量三缩丙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯快速加入第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)。具体反应式如下:
,
其中,对苯二酚与间二甲苯二异氰酸酯的摩尔比为0.5:100,二月桂酸二丁基锡与间二甲苯二异氰酸酯的摩尔比为0.15:100,丙烯酸羟乙酯与间二甲苯二异氰酸酯的摩尔比为1:1,含磷三醇与间二甲苯二异氰酸酯的摩尔比为0.35:1,三缩丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与间二甲苯二异氰酸酯的摩尔比为0.2:0.3:1;间二甲苯二异氰酸酯(c)中的R2代表间苯二甲基、丙烯酸羟乙酯(d)中的R3代表乙基;
步骤三:紫外光固化增柔防开裂剂的合成
将适量的二苯甲酮加入三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯,室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,其中,二苯甲酮占紫外光固化增柔防开裂剂总量的10%。
上述紫外光固化增柔防开裂剂可以作为正极浆料的原料之一。正极浆料由固体物料和N-甲基吡咯烷酮组成,其中,N-甲基吡咯烷酮的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料配方如下:0.1wt%的紫外光固化增柔防开裂剂、2wt%的孚诺林(2032)、1wt%的KS-6、1.5wt%的Super P和95.4wt%的磷酸铁锂。
在上述正极浆料的制备过程中,先将紫外光固化增柔防开裂剂、孚诺林(2032)、KS-6、Super P以及N-甲基吡咯烷酮混合在一起,以800rpm/min的转速在脱泡机中搅拌20s,再加入磷酸铁锂以2000rpm/min的转速在脱泡机搅拌20min,得到正极浆料。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:以铝箔为基材,将正极浆料均匀涂覆于基材上,使涂覆的正极浆料形成350µm的厚度,再将基材放置于带有紫外光照射的烘箱中,140℃烘干1h,获得正极极片。
辊压极片至压实密度达到2.4g/m3,测试极片剥离力。
实施例5,本实施案例按如下步骤展示一种紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法为:
步骤一:含磷三醇(p)的合成
将适量的缩水甘油醚(b)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第一反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二丁酯(a)在1h内缓慢地加入第一反应瓶中,磷酸二丁酯(a)与缩水甘油醚(b)的摩尔比为3:1,继续搅拌,保持温度在70℃,当磷酸二丁酯(a)加完后,升温至95℃再反应约3h,最终使反应物pH值低于10,环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇(p)。具体反应式如下:
,
其中,磷酸二丁酯(a)中的R代表正丁基(n-butyl);缩水甘油醚(b)中的R1代表如下结构式:
,
由于含磷三醇(p)的结构式较为复杂,为了便于理解下面的步骤,所以将本步骤制得的含磷三醇(p)缩写为如下结构式:
;
步骤二:三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)的合成
将适量的二苯基甲烷二异氰酸酯(c)加入装有搅拌器、冷凝管和温度计的第二反应瓶(四口烧瓶)中,搅拌,加热至50℃,将适量的对苯二酚和二月桂酸二丁基锡加入第二反应瓶中,再将丙烯酸羟乙酯(d)缓慢加入第二反应瓶中,并保温至50℃。当反应物的wNCO不再变化时,得到半加成物(e),再将含磷三醇(p)和适量三缩丙二醇二丙烯酸酯和三羟甲基丙烷三丙烯酸酯快速加入第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯(f)。具体反应式如下:
,
其中,对苯二酚与二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为0.75:100,二月桂酸二丁基锡与二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为0.1:100,丙烯酸羟乙酯与二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为1:1,含磷三醇与二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为0.34:1,三缩丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯与二苯基甲烷二异氰酸酯的摩尔比为0.4:0.1:1;二苯基甲烷二异氰酸酯(c)中的R2代表二苯亚甲基,丙烯酸羟乙酯(d)中的R3代表乙基;
步骤三:紫外光固化增柔防开裂剂的合成
将适量的二苯甲酮加入三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯,室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,其中,二苯甲酮占紫外光固化增柔防开裂剂总量的6%。
上述紫外光固化增柔防开裂剂可以作为正极浆料的原料之一。正极浆料由固体物料和N-甲基吡咯烷酮组成,其中,N-甲基吡咯烷酮的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料配方如下:0.1wt%的紫外光固化增柔防开裂剂、2wt%的孚诺林(2032)、1wt%的KS-6、1.5wt%的Super P和95.4wt%的磷酸铁锂。
在上述正极浆料的制备过程中,先将紫外光固化增柔防开裂剂、孚诺林(2032)、KS-6、Super P以及N-甲基吡咯烷酮混合在一起,以800rpm/min的转速在脱泡机中搅拌20s,再加入磷酸铁锂以2000rpm/min的转速在脱泡机搅拌20min,得到正极浆料。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:以铝箔为基材,将正极浆料均匀涂覆于基材上,使涂覆的正极浆料形成350µm的厚度,再将基材放置于带有紫外光照射的烘箱中,140℃烘干1h,获得正极极片。
辊压极片至压实密度达到2.4g/m3,测试极片剥离力。
对比例1
正极浆料由固体物料和N-甲基吡咯烷酮组成,其中,N-甲基吡咯烷酮的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料配方如下:2wt%的孚诺林(2032)、1wt%的KS-6、1.5wt%的Super P和95.5wt%的磷酸铁锂。
在上述正极浆料的制备过程中,先将孚诺林(2032)、KS-6、Super P以及N-甲基吡咯烷酮混合在一起,以800rpm/min的转速在脱泡机搅拌20s,再加入磷酸铁锂以2000rpm/min的转速在脱泡机搅拌20min,得到正极浆料。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:以铝箔为基材,将正极浆料均匀涂覆于基材上,使涂覆的正极浆料形成350µm的厚度,再将基材放置于带有紫外光照射的烘箱中,140℃烘干1h,获得正极极片。
辊压极片至压实密度达到2.4g/m3,测试极片剥离力。
对比例2
正极浆料由固体物料和N-甲基吡咯烷酮组成,其中,N-甲基吡咯烷酮的重量占正极浆料总重的40wt%;固体物料配方如下:2wt%的孚诺林(2032)、1wt%的KS-6、1.5wt%的Super P和95.5wt%的磷酸铁锂。
在上述正极浆料的制备过程中,先将孚诺林(2032)、KS-6、Super P以及N-甲基吡咯烷酮混合在一起,以800rpm/min的转速在脱泡机搅拌20s,再加入磷酸铁锂以2000rpm/min的转速在脱泡机搅拌20min,得到正极浆料。
上述正极浆料可以应用在正极极片上,具体使用方法为:将正极浆料以200µm的厚度均匀涂覆在铝箔表面,放入带有紫外光照射装置的烘箱烘20min,再将正极浆料以150µm的厚度均匀涂覆在极片表面,放入带有紫外光照射装置的烘箱烘40min,获得正极极片。
辊压极片至压实密度达到2.4g/m3,测试极片剥离力。
表1为对比例1、2与实施例1~5的正极浆料性能测试结果表。
表1
表1中所提及的粘度的检测方法为:将样品(正极浆料)放置于25℃恒温水浴内恒温1h,使用NDJ-5S数字旋转粘度计检测,使用转子为4号转子,转速为12rpm,检测温度为25℃。
请参阅表1,由实施例1~5和对比例1、2对比可知:实施例1~5的正极浆料的出料粘度远低于对比例1、2的正极浆料的出料粘度,而且实施例1~5的浆料稳定性更好,原因是本发明所述的紫外光固化增柔防开裂剂经过磷酸酯改性后使得正极浆料的分散性和稳定性都得到了提高;实施例1和5的正极浆料的分散性能最佳,原因是磷酸二丁酯改性的紫外光固化增柔防开裂剂对于正极浆料的分散性能提升最大。
表2为对比例1、2与实施例1~5的正极极片辊压剥离力与耐折度测试结果表。
表2
表2中所提及的剥离力的检测方法为:将辊压至压实密度为2.4g/m3的正极极片裁制成15mm×200mm的样品条,使用180°卧式剥离强度试验机测试,速度为150mm/min,试验温度为23℃。
表2中所提及的耐折度的测试方法为:将辊压至压实密度为2.4g/m3的正极极片裁制成15mm×200mm的样品条,往涂覆面和铝箔面分别对折一次记为一次,直至样品条开裂。
请参阅表1,由实施例1~5和对比例1、2对比可知:实施例1~5的正极极片的辊压剥离力以及柔韧性明显优于对比例1和2的正极极片的辊压剥离力以及柔韧性,原因是本发明所述的紫外光固化增柔防开裂剂在紫外光照射下,光引发剂吸收紫外光的辐射能量后***成自由基,引发预聚物发生聚合、交联、接枝反应,在很短的时间内固化成网状高分子聚合物,使得浆料与铝箔基材牢牢地粘在一起,并且磷酸酯的引入也增加了正极浆料与基材的附着力以及正极浆料本身的柔韧性;实施例1中的紫外光固化增柔防开裂剂的粘结性与柔韧性最好,其次是实施例5中的紫外光固化增柔防开裂剂。
请参阅图1至图7,如图1~7所示,在图1中未有开裂,在图2至图5有极少裂纹,图6至图7开裂明显。由此可知,本发明所述的紫外光固化增柔防开裂剂可以明显改善正极极片的开裂程度,本发明所述的紫外光固化增柔防开裂剂对于正极极片开裂的改善与剥离力以及柔韧性相关,剥离力越大,柔韧性越好,正极极片的开裂也就越小。
综上,本发明所述的一种紫外光固化增柔防开裂剂不仅可以明显改善正极极片浆料的开裂程度、增加正极极片的柔韧性、剥离力,还可以进一步地改善正极浆料的黏度以及稳定性,而且制作工艺简单,无需两层涂布等复杂的工艺条件就可以实现正极极片增厚、防开裂的功能,适用于工业生产。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种包含紫外光固化增柔防开裂剂的正极浆料,其特征在于,包括:固体物料和有机溶剂,所述有机溶剂的重量占所述正极浆料总重量的40wt%,所述固体物料以总重量为100wt%计算,包括:紫外光固化增柔防开裂剂0.1wt%、粘结剂2wt%、导电剂2.5wt%、磷酸铁锂95.4wt%,所述粘结剂为聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚丙烯酸中的任意一种或多种的组合;所述导电剂为KS-6、KS-15、SFG-6、SFG-15、乙炔黑、Super P、Super S、350G、碳纤维、碳纳米管、活性炭中的任意一种或多种的组合;所述有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、乙酸乙酯、丙酸甲酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯中的任意一种或多种的组合,其中,所述紫外光固化增柔防开裂剂的制备方法,包括:
步骤一,含磷三醇的合成:将缩水甘油醚加入至第一反应瓶中,搅拌并加热至70℃,然后将磷酸二酯在1h内缓慢加入至所述第一反应瓶中,继续搅拌,保持温度在70℃,当所述磷酸二酯加完后,升温至90~100℃,再反应3h,至反应物pH值低于10、环氧值低于0.01,得到产物含磷三醇;
步骤二,三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯的合成:将二异氰酸酯加入至第二反应瓶中,搅拌并加热至40~50℃,将对苯二酚和二月桂酸二丁基锡加入至所述第二反应瓶中,再将丙烯酸羟基酯缓慢加入至所述第二反应瓶中,并保温在40~50℃,当反应物中的异氰酸酯含量恒定时,得到半加成物,将所述含磷三醇和活性稀释剂快速加入至所述第二反应瓶中,同时将温度升高并保持在70℃,反应至红外检测不出NCO特征峰,即得三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯,其中,所述二月桂酸二丁基锡与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.5:100~1:100;所述对苯二酚与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.1:100~0.2:100;所述丙烯酸羟基酯与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.95:1~1:1;所述含磷三醇与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.33:1~0.35:1;所述活性稀释剂与所述二异氰酸酯的摩尔比为0.25:1~0.5:1;
步骤三,紫外光固化增柔防开裂剂的合成:将光引发剂加入至所述三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯中,室温搅拌均匀,制得紫外光固化增柔防开裂剂,其中,所述光引发剂的添加量占所述紫外光固化增柔防开裂剂总重量的2%~10%。
2.根据权利要求1所述的一种包含紫外光固化增柔防开裂剂的正极浆料,其特征在于,步骤一的反应式为:
,
其中,
(a)为磷酸二酯;
(b)为缩水甘油醚;
(p)为含磷三醇;
R为正丁基、甲基、苯基、甲苯基中的任意一种;
R1的结构式为:
。
3.根据权利要求1所述的一种包含紫外光固化增柔防开裂剂的正极浆料,其特征在于:在步骤一中,所述磷酸二酯与所述缩水甘油醚的摩尔比为3:1。
4.根据权利要求1所述的一种包含紫外光固化增柔防开裂剂的正极浆料,其特征在于,设所述含磷三醇的缩写结构式为:
,
则步骤二的反应式为:
,
其中,
(c)为二异氰酸酯;
(d)为丙烯酸羟基酯;
(e)为半加成物;
(p)为含磷三醇;
(f)为三官能团磷酸酯改性聚氨酯丙烯酸酯;
R2为甲苯基、六亚甲基、异佛尔酮基、间苯二甲基、二苯亚甲基中的任意一种;
R3为乙基、丙基中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种包含紫外光固化增柔防开裂剂的正极浆料,其特征在于:所述磷酸二酯为磷酸二丁酯、磷酸二甲酯、磷酸二苄酯、磷酸二苯酯中的任意一种;所述二异氰酸酯为甲苯-2,4-二异氰酸酯、甲苯-2,6-二异氰酸酯、异佛二酮二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、间二甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯中的任意一种;所述丙烯酸羟基酯为丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟丙酯、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸羟丙酯中的任意一种;所述活性稀释剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸异丙冰片酯、甲基丙烯酸四氢呋喃甲酯、苯乙烯、醋酸乙烯酯、N-乙烯吡咯烷酮、1,6-己二醇二丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、二缩丙二醇二丙烯酸酯、三缩丙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯中的任意一种或多种的组合;所述光引发剂为二苯甲酮、P-(二乙基氨基)二苯甲酮、2-(对-甲氧基苯基)-4,5-二苯基咪唑二聚物、2,2-二氯-4-苯氧苯乙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮、2,4,6-三甲基苯甲酰基-二苯基氧化膦、2,4,6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-二甲氨基-2-苄基-1-[4-(4-吗啉基)苯基]-1-丁酮、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮、苯甲酰甲酸甲酯中的任意一种或多种的组合。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的正极浆料的制备方法,其特征在于:将有机溶剂、紫外光固化增柔防开裂剂、粘结剂、导电剂混合,最后加入磷酸铁锂再混合均匀,获得正极浆料。
7.一种包含权利要求1-5任意一项所述的正极浆料的正极极片的制备方法,其特征在于:以铝箔为基材,在所述基材上涂覆所述正极浆料,所述正极浆料的涂覆厚度为350µm,然后放置于带有紫外光照射的烘箱中,在温度为140℃的条件下烘干1h,获得正极极片。
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