CN108155307B - 铝塑膜及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝塑膜及其用途，涉及阻燃包装技术领域，该铝塑膜中内嵌有阻燃剂微胶囊，利用该铝塑膜能够解决现有技术的铝塑膜不具备阻燃性，进而可有效防止锂离子电池因温度升高而燃烧及引起连带燃烧的技术问题，以达到阻燃的目的。

Description

铝塑膜及其用途

技术领域

本发明涉及阻燃包装技术领域，尤其是涉及一种铝塑膜及其用途。

背景技术

近年来，锂离子电池在动力汽车方面的需求呈井喷式增长，对其安全性提出了更高要求。然而，由于锂离子电池自身的不稳定性、使用方法不当及轻薄化与高能量密度等电池自身安全性差导致电池燃烧爆炸等安全事故频发。

锂离子电池发生热失控从环境因素考虑分为内因和外因；从引发因素来讲主要分为热诱因(即温度主导)，电化学诱因(内部多元素)和机械诱因(外部接触)。内因主要指的是内部制造工艺，安装组合和材料选取等；而外因来自于外部碰撞、挤压和变形等非主观因素。

热诱因包括锂离子电池因内部充放电过程中的产热，如果这部分热量不尽快传递出去，那么锂离子电池的温度会迅速升高。当锂离子电池超过一定温度，隔膜和电解液等会发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量的产生。隔膜融化导致内部短路，电能量的释放又增大了热量的产生。这种热量不断累积后果是导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火。现有技术中常通过在电解液中添加磷系或卤系阻燃剂来降低锂离子电池的可燃性，但电解液中添加剂的加入，可导致电池内阻增大，影响锂离子电池的电化学性能。

而目前，作为锂离子电池最外层保护屏障作用的包装膜或包装壳，除铝壳、钢壳外，铝塑膜封装(软包电池)是常用的电池封装类型，软包电池具有重量轻，容量大，内阻小，设计灵活的特点。目前的铝塑膜包装没有阻燃效果，一只电池燃烧极易造成其他电池或物质连带燃烧，增加了电池组的不安全性。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种铝塑膜，以解决现有技术的铝塑膜不具备阻燃性，进而可有效防止锂离子电池因温度升高而燃烧及引起连带燃烧的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种上述铝塑膜的用途，以用于包装需要阻燃的物品。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种铝塑膜，所述铝塑膜中内嵌有阻燃剂微胶囊。

进一步的，所述铝塑膜包括依次设置的粘结层、铝层和防护层，所述粘结层中内嵌有阻燃剂微胶囊。

进一步的，在所述粘结层中，所述阻燃剂微胶囊的体积分数为10％～60％；

优选地，所述阻燃剂微胶囊的粒径为1～30μm。

进一步的，所述阻燃剂微胶囊包括囊壳和包裹于所述囊壳内的阻燃剂，所述囊壳的厚度为0.5～5μm。

进一步的，所述囊壳的熔点为110～200℃。

进一步的，所述囊壳的原料选自聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚酰胺、聚脲或聚氨酯中的任一种或至少两种的组合。

进一步的，所述阻燃剂的汽化温度为110～230℃。

进一步的，所述阻燃剂选自三-(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯、磷酸三乙酯、三甲基磷酸酯、三(4－甲氧基苯基)磷酸酯或二甲基(2－甲氧基乙氧基)磷酸甲酯中的任一种或至少两种的组合。

进一步的，所述防护层为尼龙层或PET层，所述粘结层为PP层或PE层。

一种上述铝塑膜在阻燃包装中的用途。

与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明针对现有锂离子电池安全性设计的的技术现状，提供了一种铝塑膜，该铝塑膜创新性地在其结构中内嵌阻燃剂微胶囊，以达到及时阻燃的目的。

以锂离子电池包装为例，当锂离子电池温度升高至一定温度时，铝塑膜中的阻燃剂微胶囊的囊壳熔化，包裹于囊壳中的阻燃剂得以释放并浸入正负极材料、隔膜及电解液中，可起到阻燃效果，阻止该锂离子电池燃烧起火，从而提高了锂离子电池的安全性，防止锂离子电池之间发生连带燃烧现象。

利用该铝塑膜包装后的锂离子电池在正常工作时，该铝塑膜同传统铝塑膜一样，不会影响锂离子电池电化学性能及安全性能的发挥。当锂离子电池内部温度升高至一定温度时，该铝塑膜内层的粘结层中微胶囊囊壳熔化，释放出高阻燃性介质，达到阻燃效果，阻止该锂离子电池燃烧起火，从而提高锂离子电池安全性。

本发明提供的铝塑膜具有以下优点：

1)阻燃剂微胶囊嵌入在铝塑膜的内部，粒径小于铝塑膜的厚度，从而该阻燃性设计并没有额外增大铝塑膜的厚度；

2)本发明的铝塑膜阻燃性设计以铝塑膜为基础，与电芯正负极材料、电解液和隔膜等关键材料无任何关联性，不会对电芯产生内阻增加等不良影响，因而对电芯正常电化学性能的发挥不形成任何影响；

3)阻燃剂微胶囊的囊壳熔解及阻燃剂气化，对铝塑膜的封装不形成任何影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的铝塑膜的结构示意图。

图标：10-粘结层；20-铝层；30-防护层；40-阻燃剂微胶囊。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的一个方面提供了一种铝塑膜，该铝塑膜中内嵌有阻燃剂微胶囊。

本发明针对现有锂离子电池安全性设计的技术现状，提供了一种铝塑膜，该铝塑膜创新性地在其结构中内嵌阻燃剂微胶囊，以达到及时防止燃烧的目的。

以锂离子电池包装为例，当锂离子电池温度升高至一定温度时，铝塑膜中的阻燃剂微胶囊的囊壳熔化，包裹于囊壳中的阻燃剂得以释放并浸入正负极材料、隔膜及电解液中，可起到阻燃效果，阻止该锂离子电池燃烧起火，从而提高了锂离子电池的安全性，防止锂离子电池之间发生连带燃烧现象。

利用该铝塑膜包装后的锂离子电池在正常工作时，该铝塑膜同传统铝塑膜一样，不会影响锂离子电池电化学性能及安全性能的发挥。当锂离子电池内部温度升高至一定温度时，该铝塑膜内层的粘结层中的阻燃剂微胶囊会发生熔化并释放出高阻燃性介质，达到阻燃效果，阻止该锂离子电池燃烧起火，从而提高锂离子电池安全性。

本发明提供的铝塑膜具有以下优点：

1)阻燃剂微胶囊嵌入在铝塑膜的内部，粒径小于铝塑膜的厚度，从而该阻燃性设计并没有额外增大铝塑膜的厚度；

2)本发明的铝塑膜阻燃性设计以铝塑膜为基础，与电芯正负极材料、电解液和隔膜等关键材料无任何关联性，不会对电芯产生内阻增加等不良影响，因而对电芯正常电化学性能的发挥不形成任何影响；

3)阻燃剂微胶囊的囊壳熔解及阻燃剂气化，对铝塑膜的封装不形成任何影响。

在本发明的一个实施方式中，该铝塑膜包括依次设置的粘结层、铝层和防护层，粘结层内嵌有阻燃剂微胶囊。

用铝塑膜封装电芯后，铝塑膜中的粘结层直接与电芯接触。阻燃剂微胶囊位于铝塑膜的粘结层中，当锂离子电池的电芯内部升高到一定温度后，阻燃剂微胶囊可直接向电芯内部释放阻燃介质，时间延迟较短，阻燃效果更直接。

在本发明的一个实施方式中，在粘结层中，阻燃剂微胶囊的体积分数为10％～60％。当阻燃剂微胶囊在粘结层中的体积分数为10％～60％时，既可以保证粘结层具有良好的粘结效果，又能保证该铝塑膜具有良好的阻燃效果。

其中，在粘结层中，阻燃剂微胶囊的体积分数典型但非限制性的例如可以为10％、20％、30％、40％、50％或60％。

在本发明的一个实施方式中，阻燃剂微胶囊的粒径为1～30μm。减少阻燃剂微胶囊的尺寸可以更方便将阻燃剂微胶囊嵌入到粘结层中。其中，阻燃剂微胶囊的尺寸典型但非限制性的例如可以为：1μm、3μm、5μm、7μm、10μm、13μm、15μm、、17μm、20μm、、23μm、25μm、27μm或30μm。

在本发明的一个实施方式中，阻燃剂微胶囊包括囊壳和包裹于囊壳内的阻燃剂，囊壳的厚度为0.5～5μm。

当囊壳的厚度为0.5～5μm时既可以保证囊壳的强度，又可以保证囊壳在较短的时间内熔化使包裹于其中的阻燃剂及时得以释放。其中，囊壳的厚度典型但非限制性的例如可以为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm。

在本发明的一个实施方式中，囊壳的熔点为110～200℃。

当电池的温度升高到200℃以上时，电芯危险性较高，即处于爆炸的危险状态，为了降低爆炸几率，将电池电芯的温度处于110～200℃内对电芯进行降温灭火处理，以提高电池的安全性。将囊壳的熔点设置为110～200℃，以满足对电芯的温度控制要求，可以进一步提高电池的安全性，降低爆炸几率。

其中，囊壳的熔点典型但非限制性的例如可以为110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、190℃或200℃。

在本发明的一个实施方式中，囊壳的原料选自聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚丙烯腈、聚乙二醇、聚酰胺、聚脲或聚氨酯中的任一种或至少两种的组合。

通过选择合适的原料制作囊壳以使囊壳的熔点满足上述要求。在选择囊壳原料时，针对不同熔点的原料可做组合搭配。选择上述原料制备囊壳既可以使制备得到的囊壳的熔点满足要求，又可以保证囊壳的熔化速度，保证囊壳中的阻燃剂及时得以释放，从而进一步提高了该铝塑膜阻燃效果的可靠性。

在本发明的一个实施方式中，阻燃剂的汽化温度为140～230℃。在阻燃剂的汽化温度应与囊壳的熔化温度相匹配。在选择阻燃剂时，其汽化温度等于或稍大于囊壳的熔化温度，囊壳在熔化后阻燃剂及时发生汽化对电芯进行降温灭火。其中，阻燃剂的典型但非限制性的气化温度例如可以为：110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、190℃、200℃、210℃、220℃或230℃。

在本发明的一个实施方式中，阻燃剂的原料选自三-(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯、磷酸三乙酯、三甲基磷酸酯、三(4－甲氧基苯基)磷酸酯或二甲基(2－甲氧基乙氧基)磷酸甲酯中的任一种或至少两种的组合。

通过选择合适的原料作为阻燃剂以使阻燃剂的汽化温度满足上述要求。在选择阻燃剂原料时，针对不同汽化温度的原料可做组合搭配。选择上述原料作为阻燃剂既可以使阻燃剂的汽化温度满足要求，又可以保证阻燃剂的汽化速度，保证阻燃剂及时得以释放，从而进一步提高铝塑膜阻燃效果的可靠性。

在本发明的一个实施方式中，防护层为尼龙层或PET层层。通过选择特定的防护层材料以提高防护层耐磨性能，进而进一步提高铝塑膜的防护功能。

在本发明的一个实施方式中，粘结层为PP层或PE层。通过选择特定的粘结层材料以提高铝塑膜的拉伸性能。

本发明的第二个方面提供了一种上述铝塑膜在阻燃包装中的用途。

应用上述铝塑膜可以封装任何有热失控问题的物品，例如锂离子电池。也可以作为背板的一部分用于封装太阳能电池。

下面将结合实施例和对比例对本发明提供的铝塑膜做进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例是一种铝塑膜，主要包括外层的防护层30，中间的铝层20以及内层的粘结层10。其中，防护层30为尼龙层，粘结层10为PP层。该铝塑膜中的PP层厚度为30μm，内部嵌入阻燃剂微胶囊40，该阻燃剂微胶囊40占PP层总体积的40％。其中，阻燃剂微胶囊40粒径为5-10μm，囊壳由熔点温度为110～130℃范围内的聚酰胺聚合而成，阻燃剂材料为三-(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯。

下面用该铝塑膜包装的磷酸铁锂锂离子电池为例，其工作原理为：当磷酸铁锂电池内部温度升高至110～120℃时，铝塑膜PP层中的阻燃剂微胶囊囊壳会融化，释放出三-(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯阻燃剂，该阻燃剂浸入锂离子电池的正负极材料、隔膜及电解液中，可起到阻燃效果，提高锂离子电池的安全性。

实施例2

本实施例是一种铝塑膜，主要包括外层的防护层，中间的铝层以及内层的粘结层。其中，防护层为尼龙层，粘结层为PP层。该铝塑膜中的PP层厚度为25μm，内部嵌入阻燃剂微胶囊，该阻燃剂微胶囊占PP层总体积的50％。其中，阻燃剂微胶囊粒径为8-13μm，囊壳由聚乙二醇和聚脲聚合而成，熔点温度为120～140℃，阻燃剂材料为磷酸三乙酯。

实施例3

本实施例是一种铝塑膜，主要包括外层的防护层，中间的铝层以及内层的粘结层。其中，防护层为尼龙层，粘结层为PP层。该铝塑膜中的PP层厚度为20μm，内部嵌入阻燃剂微胶囊，该阻燃剂微胶囊占PP层总体积的30％。其中，阻燃剂微胶囊粒径为10-15μm，囊壳由聚氯乙烯和聚乙二醇聚合而成，熔点温度为140～150℃，阻燃剂材料为三甲基磷酸酯。

对比例1

本对比例是一种铝塑膜，与实施例1相比，除铝塑膜的PP层中未嵌入阻燃剂微胶囊外，其他与实施例1相同。

性能测试

分别用实施例1-3提供的铝塑膜封装磷酸铁锂锂离子电池，记为试验组1-3；用对比例1提供的铝塑膜封装磷酸铁锂锂离子电池，记为对照组1。

按照测试标准GBT31486-2015和GBT31485-2015试验组1-3及对照组1提供的电池进行容量测试、过充电测试、针刺测试和挤压测试。记录每组电池的容量，并观察过充电测试、针刺测试和挤压测试中，各组电池是否燃烧起火。若过充电测试、针刺测试和挤压测试中，电池发生燃烧则测试结果记为不通过，若不发生燃烧则记为通过。其中，容量测试是指在25±2℃的环境温度下测试电池容量。

试验过程说明：每组试验各取试验组1-3和对照组1中的电池20个进行测试，记录每组通过测试的数量，结果列于表1。

表1各组性能测试结果

通过表1测试结果可知，铝塑膜的应用不会影响锂离子电池电化学性能。而用本发明提供的铝塑膜封装的电池，与对照组1相比，过充电测试通过率提高了4倍以上、针刺测试的通过率提高了9倍以上和挤压测试的通过率提高了3倍以上，因此可以看出用本发明提供的铝塑膜封装的电池显著的提高了电池安全性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种铝塑膜，其特征在于，所述铝塑膜从内到外包括粘结层、铝层和防护层，所述粘结层中内嵌有阻燃剂微胶囊；在所述粘结层中，所述阻燃剂微胶囊的体积分数为10％～60％；所述阻燃剂微胶囊的粒径为1～27μm；

所述阻燃剂微胶囊包括囊壳和封装于所述囊壳内的阻燃剂；

所述囊壳的熔点为110～200℃；所述阻燃剂的汽化温度为110～230℃；阻燃剂的汽化温度等于或大于囊壳的熔化温度；

囊壳和阻燃剂为以下三种组合中的任意一种：

囊壳由熔点温度为110～130℃范围内的聚酰胺聚合而成，阻燃剂材料为三-(2,2,2-三氟乙基)磷酸酯；

或，囊壳由聚乙二醇和聚脲聚合而成，熔点温度为120～140℃，阻燃剂材料为磷酸三乙酯；

或，囊壳由聚氯乙烯和聚乙二醇聚合而成，熔点温度为140～150℃，阻燃剂材料为三甲基磷酸酯。

2.根据权利要求1所述的铝塑膜，其特征在于，所述囊壳的厚度为0.5～5μm。

3.根据权利要求1所述的铝塑膜，其特征在于，所述防护层为尼龙层或PET层；所述粘结层为PP层或PE层。

4.一种权利要求1-3任一项所述的铝塑膜在阻燃包装中的用途。

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