CN104993089A - 一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜及其制备方法，所述隔膜由锂离子电池基膜以及在基膜一侧或两侧的涂层组成,所述涂层由芳纶浆料经涂布、浸水、烘干后获得，所述芳纶浆料由芳纶纤维溶解液、乳化剂溶液和聚合物胶黏剂组成。本发明引入了亲水性的乳化剂替代无机颗粒造孔剂，提高了涂层均匀性和成孔均匀性，改善了芳纶浆料与水之间的界面亲水性，大大降低涂覆后所需的浸水时间,便于连续化大规模生产。

Description

一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池隔膜，特别是一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜。

背景技术

目前，商业化的隔膜大多采用聚乙烯或聚丙烯隔膜，其具有较高孔隙率、较低的电阻、较高的抗撕裂强度、较好的抗酸碱能力、良好的弹性及对非质子溶剂的保持性能。但是，烯烃多孔膜熔点低于170℃，它的热收缩性能较差，致使锂离子电池的安全性能存在一定的局限性。

从锂电池安全性的角度考虑，越来越多的电池企业开始把目光投向隔膜涂覆改性领域，生产出复合的锂离子电池隔膜。在电池充放电过程中，即使聚烯烃膜发生收缩甚至融化，涂层仍能够保持隔膜的完整性，能够有效防止正负极大面积短路，同时，还能够有效改善隔膜的表面张力，降低隔膜与极片的界面阻抗，提高隔膜的吸液性能。

芳纶全称“聚对/间苯二甲酰对苯二胺”，是一种新型高科技合成纤维，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能。芳纶涂覆隔膜具有耐高温性能好、能量密度高、浸润性优异、使用寿命长等优势，获得了广泛的关注。

目前在制备芳纶涂覆锂离子电池隔膜时，多直接使用DMAC、DMF、NMP、DMSO等有机溶剂配合助溶剂溶解芳纶纤维，然后向芳纶纤维溶解液中添加无机颗粒造孔剂，制备出芳纶浆料，经涂覆制得芳纶涂布锂离子电池隔膜。该方法由于缺少满足锂离子电池隔膜特殊要求方面的考虑，直接导致了以下问题的产生：第一、无机颗粒造孔剂在有机溶剂中分散困难，影响涂层及成孔均匀性；第二、使用有机溶剂做凝固浴，环境污染严重；第三、芳纶浆料形成的涂层与基膜粘接性差，在凝固浴下容易脱落；第四，虽然有企业使用纯水做凝固浴，但是浸凝固浴的时间在10min以上，无法满足连续化大规模生产的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服已有技术的缺陷、提供一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，它具有涂层粘结性、成孔均匀性良好，环境友好，便于大规模连续性生产的特点。

此外，本发明还要提供所述芳纶涂覆锂离子电池隔膜的制备方法。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，由锂离子电池基膜以及在基膜一侧或两侧的涂层组成,所述涂层由芳纶浆料经涂布、浸水、烘干后获得；

所述芳纶浆料的组成及其质量份数为：

芳纶纤维  3-8份，

第一溶剂  59-80份，

第二溶剂  8-33.5份，

助溶剂   3-5份，

分散剂    0.1-0.2份，

乳化剂  0.5-2.5份，

胶黏剂  1-2份，

所述第一溶剂为NMP、DMSO、DMF或DMAC中的一种；

所述第二溶剂为乙酸乙酯、异丙醇、二氯甲烷或磷酸三乙酯中的一种或几种；所述乳化剂为聚乙烯醇、聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺中的一种或几种；所述胶黏剂为乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯共聚物。

上述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，所述涂层厚度为0.5-4μm。

上述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，所述助溶剂为CaCl₂、KOH、LiCl或吡啶中的一种或几种。

上述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，所述芳纶纤维分子量为5000-100000。

上述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，所述分散剂为分子量10-100万的聚氧化乙烯超细粉末。

上述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，所述锂离子电池基膜为厚度5-40μm、孔隙率为30-80%的聚乙烯膜、聚丙烯膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜、聚酰亚胺膜、聚偏氟乙烯膜、聚乙烯无纺布膜、聚丙烯无纺布膜或聚酰亚胺无纺布膜中的一种。

上述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，所述芳纶纤维为间位芳纶纤维、对位芳纶纤维、间位芳纶浆粕或对位芳纶浆粕中的一种或多种。

一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜的制备方法，制备按以下步骤进行：

a.将第一溶剂和助溶剂搅拌溶解后，缓慢均匀地加入分散剂，边加入边搅拌，待分散剂完全溶解后加入芳纶纤维，在60-110℃加热、搅拌至完全溶解，制得芳纶纤维溶解液；

b. 按比例将第二溶剂、乳化剂混合，分散均匀，同配方量的聚合物胶黏剂一起加入芳纶纤维溶解液中，分散均匀制得芳纶浆料；

c. 将芳纶浆料涂覆在经电晕处理的锂电池基膜的单侧或双侧，浸入纯水凝固浴3-15s,烘干即得成品。

有益效果

本发明与已有技术相比，其优点和有益效果是：

a.本发明制备的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，引入了亲水性的乳化剂替代无机颗粒造孔剂，首先避免了无机颗粒在有机溶剂中分散困难的问题，提高了涂层均匀性和成孔的均匀性，其次，改善了芳纶浆料与水之间的界面亲水性，将涂覆后所需的浸凝固浴的时间降低至3-15s，有利于连续稳定大规模生产。

b.本发明给出的锂离子电池隔膜的制备方法，采用纯水作为凝固浴，对环境友好；同时乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯（PVP-VA）共聚胶黏剂和纯水凝固浴的配合使用，改善了在凝固浴中芳纶浆料形成的涂层与基膜的粘接性能，同时减少了有机溶剂的使用量。

附图说明

图1为本发明实施例1的SEM照片；

图2为本发明实施例1-3循环次数图。

具体实施方式

本发明芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，由锂离子电池基膜以及基膜一侧或两侧的涂层组成,所述的涂层由芳纶浆料经涂布、浸水、烘干后获得，所述的芳纶浆料的组成及质量份数为：

芳纶纤维  3-8份，

第一溶剂  59-80份，

第二溶剂  8-33.5份，

助溶剂    3-5份，

分散剂    0.1-0.2份，

乳化剂    0.5-2.5份，

胶黏剂    1-2份，

所述第一溶剂为NMP、DMSO、DMF或DMAC中的一种；

所述第二溶剂为乙酸乙酯、异丙醇、二氯甲烷、磷酸三乙酯中的一种或几种；所述乳化剂为聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或几种；所述胶黏剂为乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯共聚物。

本发明中的乳化剂为亲水性的乳化剂，用于芳纶涂层的造孔剂，替代无机颗粒，亲水性乳化剂在有机溶剂中容易分散，从而提高了芳纶涂层的厚度均匀性和成孔均匀性，并且，改善了芳纶浆料与水之间的界面亲水性，将涂覆后所需的浸凝固浴的时间降低至3-15s，有利于连续稳定大规模生产。

本发明中的分散剂为分子量10-100万的聚氧化乙烯超细（大于等于300目）粉末。该分散剂在芳纶溶解过程中可以有效减少芳纶短切纤维的絮聚缠绕，分子量过低作用不大，分子量过高在第一溶剂中溶解困难。

胶黏剂选用乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯（PVP-VA）共聚，能够与凝固浴中的纯水反应，降低隔膜的浸水时间，将浸水时间由10分钟降低到3-15秒。

以下提供几个具体的实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

a.称取0.5kg的助溶剂LiCl加入到8kg第一溶剂DMAC中搅拌至完全溶解，边搅拌边缓慢而均匀的加入分子量10-100万的分散剂聚氧化乙烯粉末0.1kg，低速搅拌至分散剂完全溶解，加入分子量10万左右的间位芳纶短切纤维0.3kg，沸水浴加热并搅拌至完全溶解，得到间位芳纶纤维溶解液I；

b.取第二溶剂二氯甲烷0.8kg，加入聚乙烯醇粉末0.2kg分散40min后，同0.1kg的胶黏剂乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯加入到上述芳纶溶解液中，分散均匀制得芳纶浆料；

c.选取16μm厚度的电晕聚丙烯膜，孔隙率为42%，采用凹版涂布方式将芳纶浆料涂布于基膜的单侧，涂布速率为15m/min，浸水10s，使用三级烘箱进行烘干，各级烘箱温度分别为50℃、60℃、55℃，干燥后得芳纶涂覆的锂离子电池隔膜。所述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜厚度为20μm，涂层厚度为4μm。

实施例2

a.称取0.3kg的助溶剂吡啶加入到5.9kg第一溶剂NMP中搅拌混合均匀，边搅拌边缓慢而均匀的加入分子量10-100万的分散剂聚氧化乙烯粉末0.05kg，低速搅拌至分散剂完全溶解，加入分子量2万以下的间位芳纶短切纤维0.8kg，沸水浴加热并搅拌至完全溶解，得到间位芳纶纤维溶解液I；

b.取第二溶剂异丙醇2.55kg，加入聚丙烯酸钠粉末0.2kg分散30min后，同0.2kg的胶黏剂乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯加入到上述芳纶溶解液中，分散均匀制得芳纶浆料；

c.选取22μm厚度的电晕聚酰亚胺膜，孔隙率为44%，采用浸涂的方式将芳纶浆料涂布于基膜的两侧，涂布速率为5m/min，浸水15s，使用三级烘箱进行烘干，各级烘箱温度分别为55℃、60℃、65℃，干燥后得芳纶涂覆的锂离子电池隔膜。所述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜厚度为26μm，涂层厚度为每一侧2μm。

实施例3：

a.称取0.4kg的助溶剂氯化钙粉末加入到6.75kg第一溶剂DMSO中搅拌至完全溶解，然后边搅拌边缓慢而均匀的加入分子量10-100万的分散剂聚氧化乙烯粉末0.07kg，低速搅拌至分散剂完全溶解，加入分子量10万左右的对位芳纶短切纤维0.55kg，沸水浴加热并搅拌至完全溶解，得到对位芳纶纤维溶解液I；

b.取第二溶剂乙酸乙酯2.03kg，加入聚丙烯酰胺粉末0.05kg分散30min后，同0.15kg的胶黏剂乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯加入到上述芳纶溶解液中，分散均匀制得芳纶浆料；

c.选取32μm厚度的电晕聚丙烯膜，孔隙率为60%，采用凹版涂布的方式将芳纶浆料涂布于基膜的单侧，涂布速率为15m/min，浸水10s，使用三级烘箱进行烘干，各级烘箱温度分别为50℃、60℃、65℃，干燥后得芳纶涂覆的锂离子电池隔膜。所述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜厚度为35μm，涂层厚度为3μm。

实施例4：

a.称取0.3kg的助溶剂氢氧化钾加入到7.5kg第一溶剂DMF中搅拌至完全溶解，然后边搅拌边缓慢而均匀的加入分子量10-100万的分散剂聚氧化乙烯粉末0.08kg，低速搅拌至分散剂完全溶解，加入分子量5-8万左右的间位芳纶短切纤维0.4kg，沸水浴加热并搅拌至完全溶解，得到间位芳纶纤维溶解液I；

b.取第二溶剂二氯甲烷1.32kg，加入聚乙烯醇粉末0.25kg分散30min后，同0.15kg的胶黏剂乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯加入到上述芳纶溶解液中，分散均匀制得芳纶浆料；

c.选取5μm厚度的电晕聚乙烯膜，孔隙率为30%，采用狭缝式涂布方式将芳纶浆料涂布于基膜的两侧，涂布速率为15m/min，浸水10s，使用三级烘箱进行烘干，各级烘箱温度分别为50℃、65℃、65℃，干燥后得芳纶涂覆的锂离子电池隔膜。所述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜厚度为6μm，涂层厚度为各侧0.5μm。

实施例5：

a.称取0.35kg的助溶剂氯化锂加入到6.925kg第一溶剂DMAC中搅拌至完全溶解，然后边搅拌边缓慢而均匀的加入分子量10-100万的分散剂聚氧化乙烯粉末0.075kg，低速搅拌至分散剂完全溶解，加入分子量3-5万的对位芳纶短切纤维0.35kg，沸水浴加热并搅拌至完全溶解，得到对位芳纶纤维溶解液I；

b.取第二溶剂磷酸三乙酯2.05kg，加入聚乙烯醇粉末0.15kg分散30min后，同0.1kg的胶黏剂乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯加入到上述芳纶溶解液中，分散均匀制得芳纶浆料；

c.选取40μm厚度的聚丙烯无纺布基膜，孔隙率为80%，采用喷涂的方式将芳纶浆料涂布于基膜的两侧，涂布速率为15m/min，浸水10s，使用三级烘箱进行烘干，各级烘箱温度分别为50℃、50℃、55℃，干燥后得芳纶涂覆的锂离子电池隔膜。所述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜厚度为48μm，涂层厚度为各侧4μm。

对比例：

称取0.5kg的助分散剂LiCl加入到9.2kg溶剂DMAC中搅拌至完全溶解，加入分子量10万左右的间位芳纶短切纤维0.3kg沸水浴加热并搅拌至完全溶解，制得芳纶浆料；

选取16μm厚度的电晕聚丙烯膜，孔隙率为42%，采用凹版涂布方式将芳纶浆料涂布于基膜的单侧，涂布速率为15m/min，浸水10s，使用三级烘箱进行烘干，各级烘箱温度分别为50℃、60℃、55℃，干燥后得芳纶涂覆的锂离子电池隔膜。所述芳纶涂覆的锂离子电池隔膜厚度为20μm，涂层厚度4μm。

对以上本发明的实施例和对比例所得芳纶涂覆的锂离子电池隔膜的性能进行测试，数据见下表一：

    由表一数据可知，本发明的三个实施例所获得的三款隔膜的透气性、热收缩、拉伸强度性能均优于对比例。透气性好说明本发明制备的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜成孔性好，拉伸强度和热收缩好证明涂层与基膜粘接强度高。

取实施例1所得的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜做SEM，发现该隔膜成孔均匀，且骨架中没有大面积无孔区，不会阻塞锂离子通道。

    取实施例1、2、3所得复合锂离子电池隔膜与制备好的镍钴锰三元材料（523型）正极极片和石墨（FSN-1）负极采用卷绕工艺，制成软包装锂离子电池芯片。采用0.5C恒流恒压充电/1.0C恒流放电进行循环测试，循环700次容量比率仍保持在90%以上。

对比例所制备的隔膜由于涂层与基膜粘接性能差，未能完成装配。

Claims (8)

1.一种芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，由锂离子电池基膜以及在基膜一侧或两侧的涂层组成,所述涂层由芳纶浆料经涂布、浸水、烘干后获得，其特征在于，所述芳纶浆料的组成及质量份数为：

芳纶纤维  3-8份，

第一溶剂  59-80份，

第二溶剂  8-33.5份，

助溶剂   3-5份，

分散剂    0.1-0.2份，

乳化剂  0.5-2.5份，

胶黏剂  1-2份，

所述第一溶剂为NMP、DMSO、DMF或DMAC中的一种；

所述第二溶剂为乙酸乙酯、异丙醇、二氯甲烷或磷酸三乙酯中的一种或几种；所述乳化剂为聚乙烯醇、聚丙烯酸钠或聚丙烯酰胺中的一种或几种；所述胶黏剂为乙烯基吡咯烷酮和乙酸乙烯酯共聚物。

2.根据权利要求1所述的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，其特征在于，所述涂层厚度为0.5-4μm。

3.根据权利要求2所述的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，其特征在于，所述助溶剂为CaCl₂、KOH、LiCl或吡啶中的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，其特征在于，所述芳纶纤维分子量为5000-100000。

5.根据权利要求4所述的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，其特征在于：所述分散剂为分子量10-100万的聚氧化乙烯超细粉末。

6.根据权利要求5 所述的芳纶涂覆的锂离子电池隔膜，其特征在于,所述锂离子电池基膜为厚度5-40μm、孔隙率为30-80%的聚乙烯膜、聚丙烯膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜、聚酰亚胺膜、聚偏氟乙烯膜、聚乙烯无纺布膜、聚丙烯无纺布膜或聚酰亚胺无纺布膜中的一种。

7.根据权利要求6 所述的复合锂离子电池隔膜，其特征在于,所述芳纶纤维为间位芳纶纤维、对位芳纶纤维、间位芳纶浆粕或对位芳纶浆粕中的一种或多种。

8.一种制备如权利要求1-7所述的芳纶涂覆锂离子电池隔膜的方法，其特征在于，制备按以下步骤进行：

a.将第一溶剂和助溶剂搅拌溶解后，缓慢均匀地加入分散剂，边加入边搅拌，待分散剂完全溶解后加入芳纶纤维，在60-110℃加热、搅拌至完全溶解，制得芳纶纤维溶解液；

b. 按比例将第二溶剂、乳化剂混合，分散均匀，同配方量的聚合物胶黏剂一起加入芳纶纤维溶解液中，分散均匀制得芳纶浆料；

c. 将芳纶浆料涂覆在经电晕处理的锂电池基膜的单侧或双侧，浸入纯水凝固浴3-15s,烘干即得成品。