CN104577013A - 一种水性陶瓷隔膜浆料及其在锂离子电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水性陶瓷隔膜浆料及其在锂离子电池中的应用，包括按质量百分比计算的组合物40％-50％和去离子水；其中所述组合物包括按质量百分比计算的粒度直径为0.1um-5um的三氧化二铝粉体60％-85％、水性粘结剂5-20％、填充剂5％-25％；本发明水性陶瓷隔膜浆料耐高温性，高安全性高：涂层可中和电解液中游离的HF，提升电池耐酸性；高倍率性：在锂电池中可形成固溶体，提高倍率性和循环性能。良好浸润性及加工性能：涂层具有良好的吸液及保液能力；高效环保：采用水性涂料，有效的降低了油性涂覆陶瓷隔膜生产过程中有机溶剂的过度使用挥发及造成的环境污染。

Description

一种水性陶瓷隔膜浆料及其在锂离子电池中的应用
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及到一种水性陶瓷隔膜浆料及其在锂离子电池中的应用。
背景技术
最近几年，锂离子电池的性能不断提升，能量密度每年以10％-15％的速度递增，目前锂离子电池的质量比能量已达到100-160Wh/kg，体积比能量350-450Wh/L，在最近几年，质量比能量将达到180-200Wh/kg，体积比能量500-650Wh/L，而且成本也逐年下降。锂离子电池和镍氢电池被认为是适合于电动汽车(EV)和混合电动汽车(HEV)的两种动力电池，而锂离子电池由于其具有高容量、高电压、长寿命等优点，使之成为性能最为优越的可充电电池，国际上现已形成锂离子动力电池及其专用关键材料的开发热潮。
在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。随着市场对电池的能量密度越来越高，4.3V/4.35V/4.4V体系的逐渐推广，电池的热稳定性的问题会更加突出。常规的PP/PE材料的锂电池隔膜是通孔，当电流过大时，很容易造成穿孔现象，进而造成锂电池燃烧或者爆炸，而用高纯氧化铝作为涂层材料与粘合剂一起使用涂覆在PP/PE材料表面可以起到调孔的作用，这是因为高纯氧化铝为板状晶体结构，当电流过大时，材料发热，进而板状晶体结构的高纯纳米氧化铝涂层材料就会体积膨胀，就会闭合锂电池隔膜上的电流传导孔，从而起到阻断电流的作用，当温度降下来时，材料体积会收缩，这时隔膜上的电流传导孔就会重新打开，利用该材料特殊的物理和化学性能，可以大大提高锂电池的安全性能，从而为大功率动力锂电池高能量安度且安全可靠充放电提供了可能。同时这种材料可以很好地进行热量传导和优良的阻燃性，从而解决了PP/PE材料导热性差的问题。能够阻止电池大范围的燃烧甚至爆炸。
因此采用以上材料的隔膜制作而成的锂离子电池具有极高的安全性能，可以广泛应用于手机、数码产品、笔记本电脑、EV和PHEV等领域。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处而提供一种安全性能的水性陶瓷隔膜浆料及其在锂离子电池中的应用。
本发明是通过如下方式实现的：
一种水性陶瓷隔膜浆料，其特征在于：包括按质量百分比计算的组合物40％-50％和去离子水；其中所述组合物包括按质量百分比计算的粒度直径为0.1um-5um的三氧化二铝粉体60％-85％、水性粘结剂5-20％、填充剂5％-25％。
所述水性粘结剂为以下其中的一种：水溶性改性聚偏氟乙烯，丁苯橡胶，丙苯橡胶，硅烷胶。
所述填充剂为以下其中的一种：羧甲基纤维素钠，聚乙烯醇。
一种水性陶瓷隔膜浆料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将去离子水与填充剂混合搅拌成无色透明溶液I；
2)在无色透明溶液I中加入粒度直径为0.1um-5um的三氧化二铝粉体，搅拌成混合溶液；
3)将混合溶液倒入高速分散研磨设备上分散成＜10um的粉体浆料，其中粒度直径为3-5um的颗粒占浆料的5％-8％；
4)再往浆料中添加水性粘结剂，混合均匀；
5)然后将4)步骤得到的混合浆料过300-400目筛网后即得水性陶瓷隔膜浆料。
一种锂离子电池隔膜，其特征在于：涂覆有所述水性陶瓷隔膜浆料，且涂覆量为3-5g/m2。
一种锂离子电池，其特征在于：包括使用所述的隔膜。
本发明优点在于：电池中的隔膜采用的是的涂层材料为纳米级陶瓷粉与水性特效粘结剂混合后按照一定的涂覆量涂覆与聚烯烃薄膜表面，其优点在于：1、耐高温性：涂层具有优异的耐高温性，在180-250摄氏度还能保持隔膜完整形态；2、高安全性：涂层可中和电解液中游离的HF，提升电池耐酸性，安全性提高；3、高倍率性：在锂电池中可形成固溶体，提高倍率性和循环性能；4、良好浸润性及加工性能：涂层具有良好的吸液及保液能力，具有良好的压缩比(50％以上)，使用的工艺范围较宽(电池整形压力可调范围广)；5、独特的自关断特性：保持了聚烯烃隔膜的闭孔特性，避免热失控引起安全隐患；6、低自放电率：涂层增加微孔曲折度，自放电低于普通隔膜；7、循环寿命长：降低了循环过程中的机械微短路，有效提升循环寿命；8、高效环保：采用水性涂料，有效的降低了油性涂覆陶瓷隔膜生产过程中有机溶剂的过度使用挥发及造成的环境污染。
本发明的电池具备以下特性：1、高能量密度：传统锂离子电池由于采用较厚的PE/PP隔膜材料，能量密度只能做到105-140Wh/Kg，而采用陶瓷材料特殊涂层的锂离子电池其能量密度可以达到200Wh/Kg；2、硬度高，形变小：此款水性陶瓷隔膜材料由于加入了特效粘结剂同时粘结剂在陶瓷粉中呈现大颗粒小颗粒相嵌排布，大颗粒粘结性强可长久粘结电池极片，稳定电池在使用过程中的平整度和结构。隔膜适用的夹具整形工艺，且整形压力最大可以调整至20kgf，隔膜不变形，同时确保电池硬度。3、高安全性能：陶瓷材料特殊涂层它能够耐高温，在达到一定温度即250-350摄氏度时，还不能够融化，保证电极之间不会短路，让电池慢慢失效而不发生爆炸，可以保证隔离层不受损伤以防止短路。他有效避免了由于PP/PE隔膜等传统隔离材料在150摄氏度就融化造成大面积内部短路，电池爆炸起火等的现象。
具体实施方式
详述本发明具体实施方式：
一种水性陶瓷隔膜浆料，包括按质量百分比计算的组合物40％-50％和去离子水；其中所述组合物包括按质量百分比计算的粒度直径为0.1um-5um的三氧化二铝粉体60％-85％、水性粘结剂5-20％、填充剂5％-25％。
本发明水性粘结剂为以下其中的一种：水溶性改性聚偏氟乙烯，丁苯橡胶，丙苯橡胶，硅烷胶。
本发明填充剂为以下其中的一种：羧甲基纤维素钠，聚乙烯醇。
一种水性陶瓷隔膜浆料的制备方法，包括以下步骤：
1)将去离子水与填充剂混合搅拌成无色透明溶液I；
2)在无色透明溶液I中加入粒度直径为0.1um-5um的三氧化二铝粉体，搅拌成混合溶液；
3)将混合溶液倒入高速分散研磨设备上分散成＜10um的粉体浆料，其中粒度直径为3-5um的颗粒占浆料的5％-8％；
4)再往浆料中添加水性粘结剂，混合均匀；
5)然后将4)步骤得到的混合浆料过300-400目筛网后即得水性陶瓷隔膜浆料。
一种锂离子电池隔膜，涂覆有所述水性陶瓷隔膜浆料，且涂覆量为3-5g/m2。
一种锂离子电池，包括使用所述的隔膜。
试验对比：
实施例：正极使用钴酸锂，负极使用人造石墨，隔膜表面涂覆5～10μm水性陶瓷浆料的涂层，陶瓷材料成分为Al2O3(含量7～12％)。
对比例：正极采用钴酸锂，负极使用人造石墨，隔膜使用20μm双层聚丙烯、聚乙烯隔膜，常规制作电池。
实施例，对比例试验结果见表1。
试验结论：本发明的水性陶瓷浆料涂层锂离子电池的容量与内阻与常规电池无异，常温循环寿命800次剩余容量80％以上，60℃循环寿命可以达到500次剩余容量70％以上。安全性能测试全部能够通过，并且在3C/10V过充、针刺、重物冲击、外部短路等测试方面优于常规电池，尤其是3C/10V过充性能，能够做到100％全部通过测试。

Claims (6)

1.一种水性陶瓷隔膜浆料，其特征在于：包括按质量百分比计算的组合物40％-50％和去离子水；其中所述组合物包括按质量百分比计算的粒度直径为0.1um-5um的三氧化二铝粉体60％-85％、水性粘结剂5-20％、填充剂5％-25％。
2.根据权利要求1所述的一种水性陶瓷隔膜浆料，其特征在于：所述水性粘结剂为以下其中的一种：水溶性改性聚偏氟乙烯，丁苯橡胶，丙苯橡胶，硅烷胶。
3.根据权利要求1所述的一种水性陶瓷隔膜浆料，其特征在于：所述填充剂为以下其中的一种：羧甲基纤维素钠，聚乙烯醇。
4.一种如权利要求1所述的水性陶瓷隔膜浆料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将去离子水与填充剂混合搅拌成无色透明溶液I；
2)在无色透明溶液I中加入粒度直径为0.1um-5um的三氧化二铝粉体，搅拌成混合溶液；
3)将混合溶液倒入高速分散研磨设备上分散成＜10um的粉体浆料，其中粒度直径为3-5um的颗粒占浆料的5％-8％；
4)再往浆料中添加水性粘结剂，混合均匀；
5)然后将4)步骤得到的混合浆料过300-400目筛网后即得水性陶瓷隔膜浆料。
5.一种锂离子电池隔膜，其特征在于：涂覆有权利要求1所述水性陶瓷隔膜浆料，且涂覆量为3-5g/m2。
6.一种锂离子电池，其特征在于：包括使用权利要求5中所述的隔膜。
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