CN108075050A - 外包装防护涂层及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外包装防护涂层及其应用。外包装防护涂层为高分子材料聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、聚氨酯与聚脲弹性体的复合物、聚碳酸酯、硅树脂或聚醚酮。相对于现有技术，本发明外包装防护涂层具有高强度、高韧性和耐冲击的优点，可承受机械冲击力；同时具有良好的耐腐蚀性和阻燃性能，具有很好的实用价值。本发明还公开了外包装防护涂层的应用。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，更具体地说，本发明涉及一种外包装材料防护涂层及其应用。
背景技术
软包装电池是将锂离子二次电池中的正极材料、负极材料、隔离膜、电解液等内容物，容纳于规则形状的外包装材料中而得。目前，电池的外包装材料主要采用层压膜，包括内侧密封剂层、金属箔层、聚酰胺外侧基材层。电解液透过裂纹、针孔腐蚀聚酰胺外侧基材层和金属箔层，进而外包装材料被破坏，容易导致电池失效、发热、起火等。
蓄电装置在使用场景中会发生跌落和震动等机械滥用，其内容物冲击外包装材料的封装口，容易造成封口冲开，发生漏液、着火等危害。另外，由于外包装材料本身是柔软的，不能独自承受外力，内容物因承受较大的机械冲击力，易发生边缘变形和破损，造成短路、发热甚至起火等风险。
有人利用层叠一体化的方法，在内侧密封层和金属箔层之间增加一层罩面涂层，获得成型良好，耐化学药品和耐溶剂的包装材料；还有人在外侧基材层表面涂覆一层耐热性树脂涂膜，可以改善电解液对包装材料外观的破坏和对于外侧基材层和金属箔层的腐蚀，但上述方法无法改善电池机械滥用过程中导致的漏液，边缘短路和发热等问题。
有鉴于此，确有必要提供一种高强度、高韧性、耐腐蚀、耐冲击的外包装防护涂层。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有电池外包装材料中存在的不足，提供一种既可承受机械冲击力，还具有耐腐蚀性和阻燃效果的高强度、高韧性外包装防护涂层及其应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种外包装防护涂层，其原料为聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、聚氨酯与聚脲弹性体的复合物、聚碳酸酯、硅树脂或聚醚酮。
作为本发明外包装防护涂层的一种改进，所述外包装防护涂层的原料为聚脲弹性体、聚氨酯弹性体或硅树脂。该材料具有良好的加工性能，同时表现出优异的耐磨性和抗冲击性，应用于电池外包装方面时，能够降低电芯在机械滥用时的失效风险。
作为本发明外包装防护涂层的一种改进，所述外包装防护涂层的原料还包括添加剂，用于进一步提高外包装防护涂层的力学性能和阻燃性能，其中，当添加剂的体积分数低于20％时，所得的外包装防护涂层性能优良。所述添加剂为氧化铝颗粒、玻璃纤维、凯夫拉纤维中的一种或几种。
作为本发明外包装防护涂层的一种改进，所述外包装防护涂层的厚度可以根据不同电池的尺寸和重量等参数做优化选择，具体可以为5～500μm。
作为本发明外包装防护涂层的一种改进，所述外包装防护涂层的厚度为70～200μm。
为了实现上述发明目的，本发明还提供了一种外包装防护涂层的制备方法，其包括以下步骤：
提供外包装材料；以及
利用高压喷涂法将外包装防护涂层的原料喷涂于外包装材料的外表面并固化成膜形成外包装防护涂层；其中，外包装防护涂层的原料为聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、聚氨酯与聚脲弹性体的复合物、聚碳酸酯、硅树脂或聚醚酮。
为了实现上述发明目的，本发明提供一种电池或电池模组，其包括外包装材料和密封收容于其中的电芯，外包装防护涂层设置于电池或电池模组的外包装材料的外表面；其中，外包装防护涂层的原料为高分子材料聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、聚氨酯与聚脲弹性体的复合物、聚碳酸酯、硅树脂或聚醚酮。本发明所述电池模组可以是常规多个电池单体组合得到电池模组后，在电池模组的外包装材料的外表面喷涂外包装防护涂层；还可以是在喷涂有本发明所述外包装防护涂层的多个电池单体组合得到电池模组后，在电池模组的外包装材料的外表面喷涂外包装防护涂层，以达到更好的支撑防护效果。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，所述外包装防护涂层是喷涂于电池或电池模组的外包装材料表面，其中，喷涂的温度为20～120℃，喷涂压力为0.3～24MPa，为满足外包装防护涂层的流平性能和不同厚度要求，喷涂时的材料粘度为0.1～1000mPa·s。粘度过高，会导致涂覆不均匀，外包装防护涂层过厚；粘度太低，流动性太好，很难均匀附着在外包装材料表面。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，所述喷涂的温度为40～60℃，喷涂压力为3～15MPa，喷涂时的材料粘度为10～100mPa·s。
本发明所述外包装防护涂层对外包装材料的材质没有特别限制，与各种材质的外包装材料均具有良好的亲和性。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，在将外包装防护涂层设置于外包装材料表面之前，对外包装材料表面进行预处理，以清除基材表面的油污，提高基材表面与待喷涂的高分子材料之间的亲和性。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，所述预处理包括但不限于对外包装材料表面进行底涂处理、臭氧清洗、等离子处理或火焰处理，具体预处理方式可根据外包装材料的具体材质因地制宜的进行选择。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，所述底涂处理是在外包装材料的外表面和所述外包装防护涂层之间设置底涂层，以提高外包装材料的外表面与外包装防护涂层之间的粘结力。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，对外包装材料的外表面进行底涂处理时，具体是使用底涂剂形成一层底涂层，所述底涂剂可以是硅氧烷偶联剂、改性聚丙烯酸酯混合物，例如乐泰770，3M94等。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，所述底涂层的厚度可以为2～30μm。底涂层的作用在于提高电池外包装材料不同层之间的界面粘结，其厚度过薄时，无足够的活性基团形成或腐蚀不到位，容易造成防护涂层剥离强度下降；底涂层过厚时，一方面会导致电池整体的厚度过大，影响后续的电池组组装和整体能量密度；另一方面底涂层过厚，由于本身力学性能较差，反而会影响壳体基底与防护涂层的结合力。
作为本发明电池或电池模组的一种改进，所述外包装材料上的外包装防护涂层依据不同防护等级要求，其喷涂的位置可以是电池或电池模组的整个外表面，也可以是指定位置。例如电池或电池模组的顶封位置、和/或底部，或者只喷涂电池或电池模组的转角位置。外包装防护涂层喷涂在电池或电池模组的整个外表面时，可以有效的防止在电池或电池模组表面受到较大的机械冲击力，起到缓冲和保护作用，防止在外力作用下破损、漏液、短路、甚至有起火的风险；喷涂在电池或电池模组的顶封和底部时，主要是为了防止其受到纵向挤压或者跌落时，壳体变形导致的极片短路；喷涂在电池或电池模组壳体的转角位置，是为了避免意外跌落时顶角着地，壳体变形带来的漏液、极片短路等问题
与现有技术相比，本发明外包装防护涂层具有高强度、高韧性和耐冲击的优点，可承受机械冲击力，为电池提供缓冲、支撑作用；同时还具有良好的耐电解液腐蚀性和阻燃性能。本发明电池外包装材料同时适用于各种电池或电池模组，在电池或电池模组经受震动、跌落等机械滥用时，不易发生形变、发热、着火等问题，安全性能大大提高；尤其适用于支撑性不好、安全性较低的软包装电池。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明外包装防护涂层及其应用、有益效果进行详细说明。
图1为本发明喷涂有外包装防护涂层的单体电池的外包装材料的结构示意图。
图2为采用本发明外包装防护涂层的电池的示意图，其中，外包装防护涂层喷涂于电池的整个外表面。
图3为采用本发明外包装防护涂层的电池的另一个示意图，其中，外包装防护涂层同时喷涂于电池的顶封和底部。
图4为采用本发明外包装防护涂层的电池的又一个示意图，其中，外包装防护涂层喷涂于电池的转角。
附图标记对照表：
1-内侧密封剂层；2-内侧粘结树脂层；3-金属箔层；4-粘结剂层；5-外侧基材层；6-底涂层；7-外包装防护涂层。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限定本发明，实施例的配方、比例等可因地制宜做出选择而对结果并无实质性影响。
以下实施例中的跌落测试过程具体为：从采用实施例1～10及对比例方法制备的电池中每组取20个样品，放入夹具中的受检电池从1.5米高的位置跌落到混凝土地面，每个受检电池跌落30次，放置1小时，受检电池在检验过程中不爆炸、不起火、不漏液视为通过。
实施例1
电池外包装材料表面预处理方法：选用臭氧清洗机清洗，清洗时间为3分钟，去除表面油污，获得对于聚氨酯材料亲和的物理化学表面。
将聚氨酯弹性体的前驱体加入喷涂设备的供料系统中，设置加热系统温度为40℃，喷涂压力为12MPa，均匀的喷涂在电池外包装材料的外侧基材层全表面(请参见图2)。控制喷涂时间来调节喷涂厚度，喷涂时间为10、7、4和2秒，厚度分别为0.5、0.35、0.2和0.1毫米。
选择喷涂时间为4秒，厚度为0.2毫米，表面全喷涂的软包装电池S1与未经过喷涂的软包装电池对比，在经受跌落测试时，通过率增加35％。
实施例2
表面预处理方法与实施例1相同，不同之处在于外包装防护涂层选用聚脲弹性体。将聚脲弹性体的前驱体加入喷涂设备的供料系统中，设置加热系统温度为40℃，喷涂压力为12MPa，均匀的喷涂在电池外包装材料的外侧基材层全表面。控制喷涂时间来调节喷涂厚度，喷涂时间为10、7、4和2秒，厚度分别为0.5、0.35、0.2和0.1毫米。
选择喷涂时间为4秒，厚度为0.2毫米，表面全喷涂的软包装电池S2与未经过喷涂的软包装电池对比，在经受跌落测试时，通过率增加40％。
实施例3
表面预处理方法同实施例1，不同之处在于外包装防护涂层选择用硅树脂。将硅树脂的前驱体加入喷涂设备的供料系统中，常温下设置喷涂压力为12MPa进行操作。将喷涂好的电池转移到烘箱中，设置烘箱的温度为65℃，烘烤30分钟至硅树脂完全固化成膜。
选择喷涂时间为4秒，厚度为0.18毫米，表面全喷涂的软包装电池S3与未经过喷涂的软包装电池对比，在经受跌落测试时，通过率增加45％。
实施例4
表面预处理方法同实施例1，不同之处在于外包装防护涂层选择用聚氨酯聚脲复合体。与未经过喷涂的软包装电池对比，表面全喷涂聚氨酯聚脲复合体的软包电池S4在经受跌落测试时，通过率增加30％。
实施例5
表面预处理方法与实施例1相同，不同之处在于外包装防护涂层中加入添加剂玻璃纤维。将聚氨酯前驱体与质量分数为10％的玻璃纤维均匀混合后，加入喷涂设备的供料系统中进行喷涂。与未经过喷涂的软包装电池对比，在经受跌落测试时，本实施例所得电池S5的通过率增加45％。
实施例6～7
表面预处理方法以及外包装防护涂层、厚度与实施例1相同，不同之处在于外包装防护涂层的喷涂位置。实施例6的喷涂位置为电池壳体的顶部和底部，实施例7的喷涂位置为电池壳体的转角位置(请参见图3、4)。
与未经过喷涂的软包装电池对比，实施例6喷涂顶部和底部的电池S6、实施例7喷涂转角位置的电池S7，在经受跌落测试时，通过率分别增加25％和15％。
实施例8～9
与实施例3相比，仅控制喷涂位置不同。实施例8的喷涂位置为电池的顶部和底部，实施例9的喷涂位置为电池的转角位置。与未经过喷涂的软包装电池对比，同时喷涂顶部和底部、同时喷涂转角位置的电池在经受跌落测试时，通过率分别增加30％和20％。
实施例10
与实施例1相比，不同之处仅在于：在臭氧机清洗之后，先涂上一层3μm的改性聚丙烯酸酯混合物作为底涂层，然后在底涂层上喷涂防护层。与未经过喷涂的软包装电池对比，表面全喷涂的软包电池在经受跌落测试时，通过率增加40％。
对比例1
采用与实施例1相同的、但表面未经过喷涂防护涂层的软包装电池。
S1～S5为电芯表面全涂布外包装防护涂层的样品，由于外包装防护涂层选用的材料不同，其力学性能(如弹性、抗冲击性能、耐磨性能等)也不同。与其他两种材料相比，硅树脂的耐老化性能最好、力学性能最优，因此通过率相对稍高。对比S1与S5发现：在防护涂层中加入添加剂，可以进一步提高材料的强度和抗冲击性，相比于未加入添加剂的组别，通过率有所改善。
涂布位置不同通过率不同，是因为外包装防护涂层对于电芯的保护面积不一样。表面全涂布，在跌落过程中，外包装防护涂层可以吸收任何方向跌落冲击的能量，对电芯的冲击比较小。顶部和底部涂布，可减少易出现的顶部、底部跌落对电芯的冲击。喷涂转角位置可降低跌落过程对角位置冲击，降低角位置短路的风险。
多次跌落易导致外包装防护涂层与电芯外包装分离。加入底涂层，提高外包装防护涂层和电芯外包装之间的粘结力，降低外包装防护涂层与电芯外包装相对滑移的风险，使外包装防护涂层更加有效的承受外力冲击，降低外力对电芯的破坏，因此通过率更高。
本发明外包装防护涂层以高强度、高韧性、耐冲击的高分子材料作为主要组分，可承受机械冲击力，吸收冲击能量，为电池提供缓冲、支撑作用；同时还具有良好的耐电解液腐蚀性和阻燃性能，电池发生漏液和发热时，可以起到阻隔电解液和阻燃的作用，提高电池的安全性。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (10)
1.一种外包装防护涂层，其特征在于，所述外包装防护涂层的原料为聚氨酯弹性体、聚脲弹性体、聚氨酯与聚脲弹性体的复合物、聚碳酸酯、硅树脂或聚醚酮。
2.根据权利要求1所述的外包装防护涂层，其特征在于，所述外包装防护涂层的原料还包括添加剂，其为氧化铝颗粒、玻璃纤维、凯夫拉纤维的一种或几种；添加剂的体积分数低于20％。
3.根据权利要求1所述的外包装防护涂层，其特征在于，所述外包装防护涂层的厚度为5～500μm，优选70～200μm。
4.权利要求1～3中任意一项所述外包装防护涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供外包装材料；以及
利用高压喷涂法将外包装防护涂层的原料喷涂于外包装材料的外表面并固化成膜形成外包装防护涂层。
5.一种电池或电池模组，包括外包装材料和密封收容于其中的至少一个电芯，其特征在于，权利要求1～3中任意一项所述的外包装防护涂层设置于电池或电池模组的外包装材料的外表面。
6.根据权利要求5所述的电池或电池模组，其特征在于，在将外包装防护涂层设置于外包装材料表面之前，对外包装材料表面进行预处理。
7.根据权利要求6所述的电池或电池模组，其特征在于，所述预处理为对外包装材料表面进行底涂处理、臭氧清洗、等离子处理或火焰处理。
8.根据权利要求7所述的电池或电池模组，其特征在于，所述底涂处理是在外包装材料的外表面和所述外包装防护涂层之间设置底涂层。
9.根据权利要求8所述的电池或电池模组，其特征在于，所述底涂层的厚度为2～30μm。
10.根据权利要求5所述的电池或电池模组，其特征在于，所述外包装防护涂层设置于电池或电池模组的整个外表面、顶封、底部和/或转角。
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