CN102582200B - 一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置，其特征在于，包括涂料搅拌槽、转移涂布用的耐热薄膜、喷涂离型层的喷涂装置、涂料喷雾涂布机、预干燥装置、基纸卷、橡胶辊、钢辊、清洗转移薄膜的喷淋水碰头、热风干燥箱组、成纸复卷机依次组合。本发明还提供了一种采用上述装置的方法，采用该方法聚合物涂层经预干燥后能从耐热薄膜上完全转移至基纸表面，减少了涂料向基纸内部渗透，得到覆盖性能更好、孔隙率更高的锂电池隔膜。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置和方法，用于制备涂层覆盖性能好的高孔隙率的锂电池隔膜材料。
背景技术
锂离子电池具有工作电压高、能量密度大（重量轻）、长循环寿命、无记忆效应和无污染等优点，又具有安全、可靠且能快速充放电等优点，成为各类电子产品的主力电源。由于锂离子电池是绿色环保型无污染的二次电池，符合当今各国能源环保方面大的发展需求，在各行各业的使用量正在迅速增加。目前二次锂离子电池除广泛用于日常熟知的手机、笔记本电脑以及MP3等数码电子产品外，近年在电动车、电动自行车等一些大功率电池方面也已经开始使用。锂离子电池由正负极、电解质及聚合物隔膜组成，隔膜系锂电池材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料，毛利率通常达到70%以上，占了锂电池成本的20-30%。
锂电池隔膜是锂电池重要的组成材料，通常是薄的多孔绝缘材料，具有良好的离子通过性和机械强度，对各种化学物质和化学溶剂具有长期稳定性。隔膜的电子不导电性可隔离电池的正负极，防止两电极接触而短路；同时隔膜具有的多微孔结构，保证了离子流动顺畅。在外部电池由于发生短路事故故障时，电池内部将产生大电流，导致内部温度升高，此时隔膜将发生热熔化而关闭微孔结构，从而切断电流，停止电池工作，防止爆炸事故，确保电池及人身安全。因此，隔膜是锂电池的关键材料之一。
目前使用的隔膜主要由多孔有机聚合物隔膜构成，典型的有机隔膜如聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合膜。多孔膜的生产方法主要有三种方法：相分离法（湿法）、拉伸致孔法（干法）以及基纸涂布法。相分离法是将高分子材料和溶剂在高温下进行相分离，形成多孔性膜，如以高密度聚乙烯为主要原料，与溶剂在高温下熔融混合后，冷却、成膜，将挥发性溶剂除去后得到多孔结构。拉伸致孔法则是将聚合物从模具口中挤出，以高拉伸比（拉伸速度/挤出速度）进行拉伸，得到片材后热处理，产生高度取向的多层结构，然后进一步拉伸，将结晶界面进行剥离，形成多孔结构。基纸涂布法是通过特殊的涂布方式将有机或者有机无机复合涂料涂布到合成纤维或者植物纤维抄成的基纸表面，得到多孔的隔膜材料。相分离法和拉伸法隔膜研究较早，技术相对成熟，已有多项相关专利公开。而基纸涂布法隔膜在德国德固赛公司的引领下近年来逐渐成为研究热点，其中德固赛公司在中国申请的专利CN 1679185A涉及基纸涂布法锂电隔膜的众多方面，对这类锂电隔膜的研发造成了不小的技术壁垒。
美国专利US 2005084761公开了一种用于电池的隔膜及其制造方法，该制造方法包括，提供具有大量孔洞和其表面和内部具有涂层的片状柔性基材，其中所述基材的材料选自聚合物和/或天然纤维的织造或非织造不导电纤维，且所述涂层是多孔电绝缘的陶瓷涂层。中国专利CN 101281961A中提供了一种改善上述美国专利中的多孔电绝缘陶瓷涂层，提高锂离子电池隔膜耐高温性能的涂层混合物。但在以上提供的两种隔膜的制造方法中，将涂料涂覆在多孔柔性基材表面上的涂布方法都采用现有技术中公知的各种方法，如通过印刷、辊压、刮浆、浸渍、喷涂和提拉等方法，都是直接将涂料施涂到基纸表面，由于渗透的关系涂层难以完全停留在基纸表面，对基纸难以形成更好的覆盖。
发明内容
本发明的目的是提供一种制造涂层覆盖性好、孔隙率度高锂电隔膜的预干燥薄膜转移涂布的装置和方法。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置，其特征在于：包括至少一对上下布置的橡胶辊及钢辊，转移涂布用的耐热薄膜由钢辊拉出后，依次经过清洗转移薄膜的喷淋水喷头、喷涂离型层的喷涂装置、涂料喷雾涂布机及预干燥装置后与由基纸卷拉出的基纸层叠，层叠后的基纸与耐热薄膜被送入至少一对上下布置的橡胶辊及钢辊之间压紧，耐热薄膜通过钢辊循环使用，覆盖有涂层的基纸从热风干燥箱组后由成纸复卷机收纸，其中，涂料喷雾涂布机与涂料搅拌槽相连。
优选地，所述涂料搅拌槽为带加热的立式搅拌槽。
优选地，所述预干燥装置为红外干燥器或者热风干燥器中的一种。
优选地，所述钢辊为带加热功能的钢辊，加热范围为室温至180℃。
本发明的另一技术方案是提供了一种采用上述的锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布对基纸进行涂布的方法，其特征在于，步骤为：
步骤1、将锂电隔膜聚合物涂料、有机溶剂及非溶剂加入搅拌槽，恒温加热搅拌溶解成涂料溶液；
步骤2、当耐热薄膜由喷淋水喷头清洗后，再由喷涂装置在耐热薄膜上均匀地喷涂离型层；
步骤3、由涂料喷雾涂布机将步骤1中得到的涂料溶液涂布在耐热薄膜上；
步骤4、涂布涂料溶液后的耐热薄膜被输送到预干燥装置进行预干燥后在耐热薄膜的表面形成涂层；
步骤5、耐热薄膜表面的涂层在橡胶辊和钢辊之间与基纸复合，在两辊的压力作用下耐热薄膜表面的涂层转移到基纸上；
步骤6、与涂层复合后的基纸被输送到热风干燥箱组中进行干燥，干燥完全后由成纸复卷机复卷。
优选地，步骤1中所述锂电隔膜聚合物涂料为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、或氟化乙烯与六氟乙烯的共聚物中的一种或几种混合
优选地，步骤1中所述有机溶剂为DMF或NMP中的一种。
优选地，步骤1中所述非溶剂为辛醇、庚醇、或己醇中的一种。
优选地，在步骤1中所述涂料溶液中：聚合物涂料的重量百分含量为20%-40%，有机溶剂的重量百分含量为45%-60%，非溶剂的重量百分含量为15%-20%。
优选地，步骤1中所述搅拌槽的加热温度为60-80℃。
优选地，步骤2中所述离型层为硅油涂层。
优选地，步骤4中所述预干燥的温度与步骤1中所述搅拌槽的加热温度保持一致。
优选地，步骤4中所述预干燥后，涂层的干度为50%-70%。
优选地，对步骤5中所述钢辊进行加热，加热温度为80-120℃。
优选地，步骤5中所述两辊之间的压力为0.4-0.8MPa。
优选地，步骤6中所述干燥的温度为95-105℃。
本发明利用全新的涂布装置和方法制造适合动力锂电池用的隔膜，所得隔膜涂层覆盖性好、孔隙率度高。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）通过喷雾涂布机将涂料均匀地喷涂到耐热薄膜的表面，使聚合物涂料在耐热薄膜表面预先形成一层较薄的涂层，结合蒸发助热致相分离制膜法，对喷涂后的耐热薄膜进行预干燥，使一部分溶剂与非溶剂挥发，在涂层上形成多孔结构。
（2）预干燥装置采用非接触干燥模式——红外干燥器或者PowerDry Plus热风干燥器，既保证涂层的完整性，又有较高的干燥效率。
（3）涂层预干燥到一定干度后与基纸复合，使涂料能够减少往基纸内部渗透，大量停留在表面，对基纸形成较好的覆盖。
（4）采用喷雾涂布与膜转移相结合的涂布方式，能够保证涂料的充分利用，避免涂料的流失。
（5）涂层与基纸复合的辊压区采用橡胶辊与钢辊的组合，其中钢辊带加热功能，在一定压力和温度下涂层与基纸能更好的复合。
（6）涂料为有机相，且主要分布在基纸的表面，能够很好地降低以纤维素纤维为主要原料的隔膜的亲水性。
附图说明
图1为本发明提供的一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置示意图
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
以下实施例中，皆使用如图1所示的锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置，包括一对上下布置的橡胶辊7及钢辊8，转移涂布用的耐热薄膜2由钢辊8拉出后，依次经过清洗转移薄膜的喷淋水喷头9、喷涂离型层的喷涂装置3、涂料喷雾涂布机4及预干燥装置5后与由基纸卷6拉出的基纸层叠，层叠后的基纸与耐热薄膜2被送入至少一对上下布置的橡胶辊7及钢辊8之间压紧，耐热薄膜2通过钢辊8循环使用，覆盖有涂层的基纸从热风干燥箱组10后由成纸复卷机11收纸，其中，涂料喷雾涂布机4与涂料搅拌槽1相连，涂料搅拌槽1为带加热的立式搅拌槽。预干燥装置5为红外干燥器或者热风干燥器中的一种。钢辊8为带加热功能的钢辊，加热范围为室温至180℃。
实施例1
采用上述锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置对基纸进行涂布的方法如下：
第一步：将聚合物涂料聚偏氟乙烯、有机溶剂DMF（N,N-二甲基甲酰胺）、非溶剂1-辛醇加入搅拌槽，70℃恒温加热搅拌溶解成浓度为20%的涂料溶液，其中，聚合物涂料聚偏氟乙烯的重量百分含量为20%、有机溶剂DMF的重量百分含量为60%、非溶剂1-辛醇的重量百分含量为20%；
第二步：通过喷涂装置3在耐热薄膜2上均匀地喷涂离型硅油涂层，离型硅油可以选用深圳市永卓实业发展有限公司的产品；
第三步：将搅拌槽1中的涂料溶液通过涂料喷雾涂布机4涂布在耐热薄膜2上；
第四步：涂布涂料后的耐热薄膜2输送到预干燥装置5进行预干燥，预干燥温度为70℃，预干燥后涂层的干度为50%；
第五步：预干燥后的涂层在橡胶辊7和钢辊8之间与基纸复合，在两辊的压力作用下耐热薄膜2上的涂层转移到基纸上，钢辊8的温度为80℃，橡胶辊7和钢辊8之间的压力设定为0.4MPa；
第六步：与涂层复合后的基纸输送到热风干燥箱组10中干燥，干燥的温度为95℃，，干燥完全后由成纸复卷机11复卷。
所得隔膜厚度为21μm，孔隙率为63.7%，耐刺穿强度为352g/μm，抗拉强度为3.1N/cm，Cobb（30s）值为9g/m2。
实施例2
采用上述锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置对基纸进行涂布的方法如下：
第一步：将聚合物涂料聚偏氟乙烯、有机溶剂NMP（N-甲基吡咯烷酮）、非溶剂庚醇加入搅拌槽，75℃恒温加热搅拌溶解成浓度为30%的涂料溶液，其中，聚合物涂料聚偏氟乙烯的重量百分含量为30%、有机溶剂NMP（N-甲基吡咯烷酮）的重量百分含量为52.5%、非溶剂2-庚醇的重量百分含量为17.5%；
第二步：通过喷涂装置3在耐热薄膜2上均匀地喷涂离型硅油涂层；
第三步：将搅拌槽1中的涂料溶液通过涂料喷雾涂布机4涂布在耐热薄膜2上；
第四步：涂布涂料后的耐热薄膜2输送到预干燥装置5进行预干燥，预干燥温度为75℃，预干燥后涂层的干度为60%；
第五步：预干燥后的涂层在橡胶辊7和钢辊8之间与基纸复合，在两辊的压力作用下耐热薄膜2上的涂层转移到基纸上，钢辊8的温度为80℃，橡胶辊7和钢辊8之间的压力设定为0.6MPa；
第六步：与涂层复合后的基纸输送到热风干燥箱组10中干燥，干燥的温度为100℃，干燥完全后由成纸复卷机11复卷。
所得隔膜厚度为23μm，孔隙率为65.3%，耐刺穿强度为364g/μm，抗拉强度为3.4N/cm，Cobb（30s）值为13g/m2。
实施例3
采用上述锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置对基纸进行涂布的方法如下：
第一步：将聚合物涂料聚丙烯酸、有机溶剂DMF、非溶剂己醇加入搅拌槽，80℃恒温加热搅拌溶解成浓度为40%的涂料溶液，其中，聚合物涂料聚丙烯酸的重量百分含量为40%、有机溶剂DMF的重量百分含量为45%、非溶剂2-己醇的重量百分含量为15%；
第二步：通过喷涂装置3在耐热薄膜2上均匀地喷涂离型硅油涂层；
第三步：将搅拌槽1中的涂料溶液通过涂料喷雾涂布机4涂布在耐热薄膜2上；
第四步：涂布涂料后的耐热薄膜2输送到预干燥装置5进行预干燥，预干燥温度为80℃，预干燥后涂层的干度为70%；
第五步：预干燥后的涂层在橡胶辊7和钢辊8之间与基纸复合，在两辊的压力作用下耐热薄膜2上的涂层转移到基纸上，钢辊8的温度为85℃，橡胶辊7和钢辊8之间的压力设定为0.8MPa；
第六步：与涂层复合后的基纸输送到热风干燥箱组10中干燥，干燥的温度为105℃，干燥完全后由成纸复卷机11复卷。
所得隔膜厚度为26μm，孔隙率为61.4%，耐刺穿强度为343g/μm，抗拉强度为2.7N/cm，Cobb（30s）值为16g/m2。
Claims (16)
1.一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置，其特征在于：包括至少一对上下布置的橡胶辊（7）及钢辊（8），转移涂布用的耐热薄膜（2）由钢辊（8）拉出后，依次经过清洗转移薄膜的喷淋水喷头（9）、喷涂离型层的喷涂装置（3）、涂料喷雾涂布机（4）及预干燥装置（5）后与由基纸卷（6）拉出的基纸层叠，层叠后的基纸与耐热薄膜（2）被送入至少一对上下布置的橡胶辊（7）及钢辊（8）之间压紧，耐热薄膜（2）通过钢辊（8）循环使用，覆盖有涂层的基纸从热风干燥箱组（10）后由成纸复卷机（11）收纸，其中，涂料喷雾涂布机（4）与涂料搅拌槽（1）相连。
2.如权利要求1所述的一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置，其特征在于：所述涂料搅拌槽（1）为带加热的立式搅拌槽。
3.如权利要求1所述的一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置，其特征在于：所述预干燥装置（5）为红外干燥器或者热风干燥器中的一种。
4.如权利要求1所述的一种锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置，其特征在于：所述钢辊（8）为带加热功能的钢辊，加热范围为室温至180℃。
5.一种采用如权利要求1所述的锂电池隔膜预干燥薄膜转移涂布的装置对基纸进行涂布的方法，其特征在于，步骤为：
步骤1、将锂电隔膜聚合物涂料、有机溶剂及非溶剂加入搅拌槽（1），恒温加热搅拌溶解成涂料溶液；
步骤2、当耐热薄膜（2）由喷淋水喷头（9）清洗后，再由喷涂装置（3）在耐热薄膜（2）上均匀地喷涂离型层；
步骤3、由涂料喷雾涂布机（4）将步骤1中得到的涂料溶液涂布在耐热薄膜（2）上；
步骤4、涂布涂料溶液后的耐热薄膜（2）被输送到预干燥装置（5）进行预干燥后在耐热薄膜（2）的表面形成涂层；
步骤5、耐热薄膜（2）表面的涂层在橡胶辊（7）和钢辊（8）之间与基纸复合，在两辊的压力作用下耐热薄膜（2）表面的涂层转移到基纸上；
步骤6、与涂层复合后的基纸被输送到热风干燥箱组（10）中进行干燥，干燥完全后由成纸复卷机（11）复卷。
6.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤1中所述锂电隔膜聚合物涂料为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯腈或氟化乙烯与六氟乙烯的共聚物中的一种或几种混合。
7.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤1中所述有机溶剂为DMF或NMP中的一种。
8.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤1中所述非溶剂为辛醇、庚醇或己醇中的一种。
9.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：在步骤1中所述涂料溶液中：聚合物涂料的重量百分含量为20%-40%，有机溶剂的重量百分含量为45%-60%，非溶剂的重量百分含量为15%-20%。
10.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤1中所述搅拌槽（1）的加热温度为60-80℃。
11.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤2中所述离型层为离型硅油涂层。
12.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤4中所述预干燥的温度与步骤1中所述搅拌槽（1）的加热温度保持一致。
13.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤4中所述预干燥后，涂层的干度为50%-70%。
14.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：对步骤5中所述钢辊（8）进行加热，加热温度为80-120℃。
15.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤5中所述两辊之间的压力为0.4-0.8MPa。
16.如权利要求5所述的一种对基纸进行涂布的方法，其特征在于：步骤6中所述干燥的温度为95-105℃。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |