CN104269506A - 多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，包括如下步骤：步骤1：配置水性PVDF浆料和水性陶瓷浆料；步骤2：以聚烯烃隔膜作为涂布基材，将步骤1中制备水性浆料一次性涂布在基材上，在基材表面依次涂布水性陶瓷涂层、水性PVDF涂层，涂布速率为5～100m/min，经过30～100℃烘箱烘干，得到最终聚烯烃层/陶瓷层/PVDF层三层复合隔膜。本发明还公开了多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的装置。本发明具有能在多层涂覆过程提高涂覆效率、减少原料浪费的优点。

Description

多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法及装置
技术领域
本发明涉及锂离子电池隔膜，尤其是涉及一种能在多层涂覆过程提高涂覆效率、减少原料浪费的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法及装置。
背景技术
作为锂电池四大材料之一的隔膜，尽管并不参与电池中的电化学反应，但却是锂电池中关键的内层组件。电池的容量、循环性能和充放电电流密度等关键性能都与隔膜有着直接的关系，隔膜性能的改善对提高锂电池的综合性能起着重要作用。在锂电池中，隔膜吸收电解液后，可隔离正、负极，以防止短路，但同时还要允许锂离子的传导。而在过度充电或者温度升高时，隔膜还要有高温自闭性能，以阻隔电流传导防止爆炸。不仅如此，锂电池隔膜还要有强度高、防火、耐化学试剂、耐酸碱腐蚀性、生物相容性好、无毒等特点。在聚烯烃隔膜上涂覆功能层是现阶段改善和提高其性能一种最直接最有效的方法。涂层可以是单层也可以是多层，但是现在主要的涂覆工艺一次只能涂覆一层，多种功能层涂覆隔膜要多次涂覆才能实现，而多次涂覆功能层的方法效率较低，浪费严重。
发明内容
为克服上述缺点，本发明提供一种能在多层涂覆过程提高涂覆效率、减少原料浪费的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法及装置。
本发明的目的是通过以下技术措施实现的，一种多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，包括如下步骤：
步骤1：配置水性PVDF浆料和水性陶瓷浆料；
步骤2：以聚烯烃隔膜作为涂布基材，将步骤1中制备水性浆料一次性涂布在基材上，在基材表面依次涂布水性陶瓷涂层、水性PVDF涂层，涂布速率为5～100m/min，经过30～100℃烘箱烘干，得到最终聚烯烃层/陶瓷层/PVDF层三层复合隔膜。
作为一种优选方式，所述步骤1中水性PVDF浆料配制方法为：
以去离子水作为溶剂，把水溶性胶黏剂、表面活性剂、分散剂、增稠剂在常温加入去离子水中搅拌溶解，配成溶液；再加入聚合物粉末粒子，搅拌均匀，配成水性浆料；浆料中含0.1％～2％的水溶性高分子增稠剂，0.01％～2％的水性分散剂，0.01％～1％的表面活性剂，0.1％～5％的水性胶黏剂，5％～25％的聚合物粉末粒子，67％～83％的去离子水，上述都为质量分数。
作为一种优选方式，所述步骤1中水性陶瓷浆料配制方法为：
以去离子水作为溶剂，把水溶性胶黏剂、增稠剂在常温下加入去离子水中搅拌溶解，配成溶液；然后在上述溶液中依次加入表面活性剂、水性分散剂和陶瓷粉末，搅拌均匀，配成水性浆料；浆料中含0.1％～2％的增稠剂，0.01％～2％的水性分散剂，0.01％～1％的表面活性剂，0.1％～5％的水性胶黏剂，5％～25％的陶瓷粉末粒子，67％～83％的去离子水，上述都为质量分数。
作为一种优选方式，所述聚合物粉末粒子为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚丙烯晴、芳纶树脂中的一种或者多种；聚所述聚合物粉末粒子的粒径范围为0.01μm-10μm。
作为一种优选方式，所述陶瓷粉末粒子为SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、MgO、ZnO、SnO2、ZrO2中的任意一种或者多种；粒径范围为0.01μm～10μm。
本发明还公开了一种用于多层共挤涂覆锂电池复合隔膜的装置，包括传动基材移动的涂覆辊，所述涂覆辊的一侧设置有一双模涂头，所述双模涂头的二出料口都指向由涂覆辊传动移动的基材表面，所述双模涂头内设置分别与二出料口连通的供料通道，所述供料通道分别由一隔膜泵连通一浆料罐，二所述浆料罐内分别容置有如权利要求1所述的水性PVDF浆料或水性陶瓷浆料。
作为一种优选方式，所述双模涂头包括上模块、下模块和中间楔形块，所述上模块和中间楔形块之间以及下模块和中间楔形块之间分别形成供料通道，所述上模块和中间楔形块之间以及下模块和中间楔形块之间分别形成二指向基材表面的出料口。
作为一种优选方式，所述隔膜泵为无脉冲隔膜泵。
作为一种优选方式，所述供料通道内的压力范围为0.5～10.0bar。
作为一种优选方式，所述基材与出料口的下方设置有一真空腔。
本发明利用双模涂头能同时涂覆二种功能涂层，极大地提高了生产效率，减少了多次涂覆过程中的浪费。其中的陶瓷涂层能提高隔膜的热安全性并能提高电解液对隔膜的浸润性，便于电解液的吸收；而PVDF涂层中的PVDF-HFP粉末，能够在电解液中溶胀，有良好吸收和保持电解液的能力，具有较高的电导率，从而使锂电池具有良好的循环使用寿命。同时，能使电池正负极很好的粘结贴合，提高电芯硬度和形体保持能力。二种涂布浆料所用溶剂均为水，不含丙酮、DMF、NMP等有机溶剂，不会对环境造成污染，不会危害工人的健康。作为工业化生产的产品，使用水作为溶剂极大地降低了生产成本，使产品更具竞争力。
附图说明
图1为本发明实施例电池隔膜的剖面图；
图2为本发明实施例涂布装置的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
一种多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，参考图1，复合隔膜包括依次层叠的聚烯烃隔膜1、陶瓷涂层2和PVDF涂层3。其制备方法包括如下步骤：
步骤1：配置水性PVDF浆料和水性陶瓷浆料；
步骤2：以聚烯烃隔膜1作为涂布基材，将步骤1中制备水性浆料一次性涂布在基材上，在基材表面依次涂布水性陶瓷涂层2、水性PVDF涂层3，涂布速率为5～100m/min，经过30～100℃烘箱烘干，得到最终聚烯烃层/陶瓷层/PVDF层三层复合隔膜。
一种用于多层共挤涂覆锂电池复合隔膜的装置，参考图2，包括传动聚烯烃隔膜层1移动的涂覆辊4，所述涂覆辊4的一侧设置有一双模涂头6，所述双模涂头6的二出料口都指向由涂覆辊传动移动的聚烯烃隔膜层1表面，所述双模涂头6内设置分别与二出料口连通的第一供料通道7和第二供料通道12，所述第一供料通道7由一隔膜泵8连通一浆料罐9，第二供料通道12由一隔膜泵14连通一浆料罐15，在本实施例中涂覆辊4逆时针旋转，浆料罐9内容置有水性PVDF浆料而浆料罐15内容置有水性陶瓷浆料。聚烯烃隔膜可以是PP隔膜、PE隔膜、PP/PE/PP复合隔膜等。
当涂覆辊4逆时针旋转时，聚烯烃隔膜1由下向上运动，此时设置在双模涂头6下方的狭缝出料口流出由浆料罐15内容置的水性陶瓷浆料，而双模涂头6上方的狭缝出料口同时流出由浆料罐9内容置的PVDF浆料，这样能同时涂覆二种功能涂层，极大地提高了生产效率，减少了多次涂覆过程中的浪费。其中的陶瓷涂层能提高隔膜的热安全性并能提高电解液对隔膜的浸润性，便于电解液的吸收；而PVDF涂层中的PVDF-HFP粉末，能够在电解液中溶胀，有良好吸收和保持电解液的能力，具有较高的电导率，从而使锂电池具有良好的循环使用寿命。同时，能使电池正负极很好的粘结贴合，提高电芯硬度和形体保持能力。二种涂布浆料所用溶剂均为水，不含丙酮、DMF、NMP等有机溶剂，不会对环境造成污染，不会危害工人的健康。作为工业化生产的产品，使用水作为溶剂极大地降低了生产成本，使产品更具竞争力。
本发明的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，在前面技术方案的基础上，步骤1中水性PVDF浆料配制方法为：
以去离子水作为溶剂，把水溶性胶黏剂、表面活性剂、分散剂、增稠剂在常温加入去离子水中搅拌溶解，配成溶液；再加入聚合物粉末粒子，搅拌均匀，配成水性浆料；浆料中含0.1％～2％的水溶性高分子增稠剂，0.01％～2％的水性分散剂，0.01％～1％的表面活性剂，0.1％～5％的水性胶黏剂，5％～25％的聚合物粉末粒子，67％～83％的去离子水，上述都为质量分数；聚合物粉末粒子的重均分子量为12-16万，粒径为100-300nm。
本发明的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，在前面技术方案的基础上，步骤1中水性陶瓷浆料配制方法为：
以去离子水作为溶剂，把水溶性胶黏剂、增稠剂在常温下加入去离子水中搅拌溶解，配成溶液；然后在上述溶液中依次加入表面活性剂、水性分散剂和陶瓷粉末，搅拌均匀，配成水性浆料；浆料中含0.1％～2％的增稠剂，0.01％～2％的水性分散剂，0.01％～1％的表面活性剂，0.1％～5％的水性胶黏剂，5％～25％的陶瓷粉末粒子，67％～83％的去离子水，上述都为质量分数。
本发明的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，在前面技术方案的基础上，聚烯烃隔膜1的厚度范围在8μm-100μm，孔隙率范围为30％-80％，平均孔径在0.01μm-10μm。
本发明的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，在前面技术方案的基础上，聚合物粉末粒子为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚丙烯晴、芳纶树脂中的一种或者多种，优选聚偏氟乙烯或者聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物；聚所述聚合物粉末粒子的粒径范围为0.01μm-10μm，，优选0.1μm-2μm。
本发明的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，在前面技术方案的基础上，陶瓷粉末粒子为SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、MgO、ZnO、SnO2、ZrO2中的任意一种或者多种，优选SiO2和Al2O3；粒径范围为0.01μm～10μm，优选0.1μm～3μm。
本发明的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，在前面技术方案的基础上，陶瓷涂覆层和聚合物涂覆层的厚度共为1μm-10μm，优选1μm～4μm。
本发明的多层共挤涂覆锂电池复合隔膜的装置，在前面技术方案的基础上，双模涂头6包括上模块5、下模块11和中间楔形块13，所述上模块2和中间楔形块13之间形成供料通道7以及下模块11和中间楔形块13之间形成供料通道12，上模块7和中间楔形块13之间以及下模块11和中间楔形块13之间分别形成二指向基材表面的出料口。
本发明的多层共挤涂覆锂电池复合隔膜的装置，在前面技术方案的基础上，隔膜泵8、14为无脉冲隔膜泵，以保证出浆料的均匀性。
本发明的多层共挤涂覆锂电池复合隔膜的装置，在前面技术方案的基础上，模头部分流道的压力范围在0.5～10.0bar。
本发明的多层共挤涂覆锂电池复合隔膜的装置，在前面技术方案的基础上，基材与出料口的下方设置有一真空腔10。用于保证出料口出料的稳定性。
以上是对本发明多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法及装置进行了阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：配置水性PVDF浆料和水性陶瓷浆料；
步骤2：以聚烯烃隔膜作为涂布基材，将步骤1中制备水性浆料一次性涂布在基材上，在基材表面依次涂布水性陶瓷涂层、水性PVDF涂层，涂布速率为5～100m/min，经过30～100℃烘箱烘干，得到最终聚烯烃层/陶瓷层/PVDF层三层复合隔膜。
2.根据权利要求1所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，其特征在于：所述步骤1中水性PVDF浆料配制方法为：
以去离子水作为溶剂，把水溶性胶黏剂、表面活性剂、分散剂、增稠剂在常温加入去离子水中搅拌溶解，配成溶液；再加入聚合物粉末粒子，搅拌均匀，配成水性浆料；浆料中含0.1％～2％的水溶性高分子增稠剂，0.01％～2％的水性分散剂，0.01％～1％的表面活性剂，0.1％～5％的水性胶黏剂，5％～25％的聚合物粉末粒子，67％～83％的去离子水，上述都为质量分数。
3.根据权利要求1所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，其特征在于：所述步骤1中水性陶瓷浆料配制方法为：
以去离子水作为溶剂，把水溶性胶黏剂、增稠剂在常温下加入去离子水中搅拌溶解，配成溶液；然后在上述溶液中依次加入表面活性剂、水性分散剂和陶瓷粉末，搅拌均匀，配成水性浆料；浆料中含0.1％～2％的增稠剂，0.01％～2％的水性分散剂，0.01％～1％的表面活性剂，0.1％～5％的水性胶黏剂，5％～25％的陶瓷粉末粒子，67％～83％的去离子水，上述都为质量分数。
4.根据权利要求2所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，其特征在于：所述聚合物粉末粒子为聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚丙烯晴、芳纶树脂中的一种或者多种；聚所述聚合物粉末粒子的粒径范围为0.01μm-10μm。
5.根据权利要求3所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的方法，其特征在于：所述陶瓷粉末粒子为SiO2、Al2O3、CaO、TiO2、MgO、ZnO、SnO2、ZrO2中的任意一种或者多种；粒径范围为0.01μm～10μm。
6.一种多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的装置，其特征在于：包括传动基材移动的涂覆辊，所述涂覆辊的一侧设置有一双模涂头，所述双模涂头的二出料口都指向由涂覆辊传动移动的基材表面，所述双模涂头内设置分别与二出料口连通的供料通道，所述供料通道分别由一隔膜泵连通一浆料罐，二所述浆料罐内分别容置有如权利要求1所述的水性PVDF浆料或水性陶瓷浆料。
7.根据权利要求6所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的装置，其特征在于：所述双模涂头包括上模块、下模块和中间楔形块，所述上模块和中间楔形块之间以及下模块和中间楔形块之间分别形成供料通道，所述上模块和中间楔形块之间以及下模块和中间楔形块之间分别形成二指向基材表面的出料口。
8.根据权利要求6或7所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的装置，其特征在于：所述隔膜泵为无脉冲隔膜泵。
9.根据权利要求6或7所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的装置，其特征在于：所述供料通道内的压力范围为0.5～10.0bar。
10.根据权利要求6或7所述的多层共挤涂覆制备锂电池复合隔膜的装置，其特征在于：所述基材与出料口的下方设置有一真空腔。
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