CN109609064A - 一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂 - Google Patents

一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于锂离子电池陶瓷隔膜的水性粘结剂的制备方法。本粘结剂作为成膜物质，可与陶瓷粉体、添加剂一起配置成陶瓷浆料。将该陶瓷浆料涂布于隔膜基材上，干燥后即可得到比普通有机隔膜热性能更加优异的陶瓷涂覆隔膜。胶膜在150℃仍具有稳定的动态力学性能，180℃的收缩率<3%，乳液涂膜固含量≥50%,稳定储存时间＞300天。

Description

一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂
技术领域
本发明涉及电池制造领域，具体地，涉及一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂。
背景技术
采用液体电解液的化学电源体系如锂离子电池等需要采用隔膜材料阻隔正、负极，避免短路。隔膜材料主要是以聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等为主要成分的含有微孔结构的聚合物膜或无纺布。液体电解液(一般是含有电解质盐的碳酸酯类有机溶剂)存在于微孔结构中，实现离子在正、负极之间的传导。隔膜与液体电解液共同构成了电解质体系。
随着电动汽车等领域的发展，对于锂离子电池等化学电源体系的容量和功率提出了更高的要求，因此电池的安全性也越来越受到重视。锂离子电池的安全特性在很大程度上取决于所选用的隔膜材料。由于聚合物本身的特点，虽然聚烯烃隔膜在常温下可以提供足够的机械强度和化学稳定性，但在高温条件下则表现出较大的热收缩，从而导致正、负极接触并迅速积聚大量热，诸如PP/PE复合隔膜可以在较低温度(约120℃)首先发生PE熔化阻塞聚合物中的微孔，阻断离子传导而PP仍起到支撑的作用防止电极直接接触，但是由于PP的熔解温度也仅有约150℃，当温度迅速上升超过PP的熔解温度时，隔膜熔解会造成大面积短路并引发热失控，加剧热量积累，产生电池内部高气压，引起电池燃烧或爆炸。电池内部短路是锂离子电池安全性的最大隐患。为了满足大容量锂离子电池发展的需要，开发高安全性隔膜已成为行业的当务之急。
陶瓷隔膜是在聚烯烃微孔膜基础上发展起来的新型高安全性隔膜材料，它是在聚烯烃隔膜或其他聚合物电解质的单面或双面涂布以氧化物如Al2O3、SiO2等无机粉体所形成的一种有机无机复合的功能性隔膜材料。陶瓷隔膜耦合了传统聚烯烃隔膜较好的机械性能，以及无机粉体良好的耐温性能及与电解液的亲和性能。Al2O3、SiO2等无机粉体在聚烯烃隔膜或其他聚合物电解质表面形成的无机颗粒层为陶瓷涂层，陶瓷涂层的存在显著提高了隔膜在高温条件下的维度稳定性和保液性能，同时保持了较好的机械性能。特别对于以聚烯烃微孔膜为基材的陶瓷隔膜，具有更为优异的机械强度和隔膜热关断作用，更适用于大容量锂离子动力电池的制造和使用。无机粉体的引入还会起到稳定电解质/电极界面的作用，提高电解质体系的电化学窗口。 目前，陶瓷隔膜的制备方式主要是将无机粉体(主要是纳米或亚微米的氧化物粉末，如Al2O3、SiO2、TiO2等)、粘结剂等分散在溶剂中形成浆料，再通过流延法或浸渍法在聚烯烃隔膜基材表面形成陶瓷涂层。
陶瓷隔膜的热收缩性能，对电解液的吸液率，浸润性以及应用了陶瓷隔膜的锂离子电池的离子电导率，容量保持和倍率性能受到无机粉体，粘结剂以及制作工艺的影响。锂离子电池在不同的温度下会发生相应的反应，当锂离子电池的温度为110℃时，锂离子电池中的固体电解质界面膜(SEI膜)会分解，当锂离子电池的温度为110～150℃时，锂离子电池中的LiC6会与电解液发生反应，当锂离子电池的温度为170℃时， 锂离子电池中的Li金属会析出，同时高温会引起锂离子电池燃烧甚至爆炸。因此高温稳定性是陶瓷隔膜最重要的特点，也是陶瓷隔膜制作的首要目的。陶瓷隔膜应用的无机粉体通常为高温稳定纳米或亚微米的无机氧化物粉末，如Al2O3、SiO2、TiO2，而粘结剂种类繁多，熔化温度不尽相同，粘结剂自身的热收缩同样会导致陶瓷隔膜热收缩，因此粘结剂的选择成为了决定陶瓷隔膜性能优劣的关键因素。
CN 104140502公开了一种锂离子电池隔膜用粘结剂的制备方法，该方法制备的粘结剂所使用的粘结剂可能会在使用甚至贮存的过程中发生迁移，从而使隔膜涂层的性能劣化。CN 107507950公开了含多巴胺复合粘结剂的陶瓷隔膜及在锂离子电池中的应用，该方法制备的粘结剂用以制备陶瓷隔膜时的工艺较为复杂。
发明内容
1.本发明提供一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，按重量份数计，包括：
乳化剂2-4份；
水80-120份；
丙烯酸酯单体94-104份；
乙烯基苯类单体10.25-15.5份；
丙烯腈0-10.81份；
引发剂0.8-1.1份；
PH缓冲剂0.8-2.4份；
亲水单体1-3份；
所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂的制备方法，包括如下：
步骤一：向反应容器内加入乳化剂，水，丙烯酸酯类单体，乙烯基苯类单体，丙烯腈。在20-60℃下预乳化15-60分钟，加入引发剂，PH缓冲剂，在60-70℃下反应30-80分钟。
步骤二：加入引发剂，PH缓冲剂的水溶液。将丙烯酸酯类单体，乙烯基苯类单体，丙烯腈混合均匀后向反应器中滴加，在1.5-4h内滴加结束。
步骤三：加入亲水单体，继续反应1.5-3小时，得到锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂。
优选的是，所述的乳化剂选自，脂肪酸皂、树脂酸皂、烷基磺酸皂、烷基苯磺酸皂、烷基硫酸盐、聚氧乙烯辛苯酚醚中的一种或几种。
优选的是，所述的丙烯酸酯类单体选自丙烯酸C1-C10酯，甲基丙烯酸C1-C10酯中的一种或几种。
优选的是，所述的乙烯基苯类单体选自乙苯乙烯，二乙烯基苯中的一种或几种。
优选的是，所述的引发剂选自，过硫酸钾、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈中的一种或几种。
优选的是，所述的PH缓冲剂选自、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、柠檬酸、醋酸钠、醋酸中的一种或几种。
优选的是，所述的亲水单体选自丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯中的一种或几种。
本发明的有益效果在于：
本粘结剂胶膜在100~150℃下仍能保持稳定的动态力学性能，180℃热收缩<3%，满足了制造高安全性能陶瓷隔膜的需要。并且本粘结剂为水性粘结剂，不含有机溶剂，安全环保。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂胶膜的红外光谱图。
具体实施方式
为进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选方案进行描述，但应该了解，这些描述只是为进一步说明本发明的优点和特征，并非对专利要求的限制。
实施例1
向装有搅拌装置，冷凝器，温度计的三口烧瓶中加入1.2g的十二烷基硫酸钠，0.8g的OP-10，80g的水，4g丙酸丁脂，1.5g乙烯基苯，0.16g甲基丙烯酸甲酯，0.25g二乙烯基苯。在30℃条件下预乳化15min。加入0.4g过硫酸钾，0.6g碳酸氢钠。在65℃下反应30分钟。加入0.7g过硫酸钾，1.8g碳酸氢钠与20g水配成的溶液，将76g丙烯酸丁酯，13.5g乙烯基苯，2.71g甲基丙烯酸甲酯混合均匀后向反应器中滴加，滴加4h。再加入1g丙烯酸，继续反应2h得到锂离子电池陶瓷隔膜用粘结剂。将得到的聚合物乳液进行粒径测试，结果如表1所示。
图1为本发明实施例1制备的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂胶膜的红外光谱图，从图中可以看出本发明成功制备了锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂。
实施例2
向装有搅拌装置，冷凝器，温度计的三口烧瓶中加入2.4g的十二烷基硫酸钠，1.6g的OP-10，96g的水，24g丙酸丁脂，3g乙烯基苯，2g丙烯腈，1g甲基丙烯酸甲酯，1.5g二乙烯基苯。在20℃条件下预乳化30min。加入0.2g过硫酸钾，0.1g亚硫酸氢钠，0.2g碳酸钠，在60℃下反应60分钟。加入0.4g过硫酸钾，0.1g亚硫酸氢钠，0.6g碳酸钠与24g水配成的溶液，将56g丙烯酸丁酯，7g乙烯基苯，4g丙烯腈，2g甲基丙烯酸甲酯混合均匀后向反应器中滴加，滴加2h。再加入2g丙烯酸和1g丙烯酰胺，继续反应3h得到锂离子电池陶瓷隔膜用粘结剂。将得到的聚合物乳液进行粒径测试,结果如表1所示。
实施例3
向装有搅拌装置，冷凝器，温度计的三口烧瓶中加入1.8g的十二烷基硫酸钠，1.2g的OP-10，64g的水，7g丙烯酸异辛酯，1.5g乙烯基苯，1.67g丙烯腈，0.32g甲基丙烯酸甲酯，0.5g二乙烯基苯。在60℃条件下预乳化20min。加入0.3g过硫酸铵，0.4g碳酸钠，在65℃下反应45min。加入0.6g过硫酸铵，1.2g碳酸钠，16g水配置成的溶液。将63g丙烯酸异辛酯，13.5g乙烯基苯，9.14g丙烯腈，2.57g甲基丙烯酸甲酯混合均匀后向反应器中滴加，滴加4h。再加入1g丙烯酸和0.5g丙烯酰胺，继续反应2.5h得到锂离子电池陶瓷隔膜用粘结剂。将得到的聚合物乳液进行粒径测试,结果如表1所示。
实施例4
向装有搅拌装置，冷凝器，温度计的三口烧瓶中加入1.2g的十二烷基硫酸钠，0.8g的OP-10，80g的水，40g丙酸丁脂，5g乙烯基苯，3.35g丙烯腈，1.6g甲基丙烯酸甲酯，2.5g二乙烯基苯。在20℃条件下预乳化60min。加入0.3g过硫酸钾，0.2g碳酸钠，在70℃下反应80min。加入0.6g过硫酸钾，0.6g碳酸钠，20g水配成的溶液。将40g丙烯酸丁酯，5g乙烯基苯，3.35g丙烯腈，1.6g甲基丙烯酸甲酯混合均匀后向反应器中滴加，滴加1.5h。再加入2g丙烯酸和1g丙烯酰胺，继续反应2h得到锂离子电池陶瓷隔膜用粘结剂。将得到的聚合物乳液进行粒径测试,结果如表1所示。
表1
实施例No.测试指标 1 2 3 4
150℃收缩率 2.4% 2.5% 2.6% 2.5%
粒径 106 103 118 110
多分散指数 0.07 0.07 0.07 0.06
从表1可以看出，胶膜拥有较小的热收缩率。乳液中聚合物粒子尺寸在纳米级，单分散性良好。

Claims (7)

1.本发明提供一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，按重量份数计，包括：
乳化剂2-4份；
水80-120份；
丙烯酸酯单体94-104份；
乙烯基苯类单体10.25-15.5份；
丙烯腈0-10.81份；
引发剂0.8-1.1份；
PH缓冲剂0.8-2.4份；
亲水单体1-3份；
所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂的制备方法，包括如下：
步骤一：向反应容器内加入乳化剂，水，丙烯酸酯类单体，乙烯基苯类单体，丙烯腈，在20-60℃下预乳化15-60分钟，加入引发剂，PH缓冲剂，在60-70℃下反应30-80分钟；步骤二：加入引发剂，PH缓冲剂的水溶液；将丙烯酸酯类单体，乙烯基苯类单体，丙烯腈混合均匀后向反应器中滴加，在1.5-4h内滴加结束；步骤三：加入亲水单体，继续反应1.5-3小时，得到锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，其特征在于，所述的乳化剂选自，脂肪酸皂、树脂酸皂、烷基磺酸皂、烷基苯磺酸皂、烷基硫酸盐、聚氧乙烯辛苯酚醚中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，其特征在于，所述的丙烯酸酯类单体选自丙烯酸C1-C10酯，甲基丙烯酸C1-C10酯中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，其特征在于，所述的乙烯基苯类单体选自乙苯乙烯，二乙烯基苯中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，其特征在于，所述的引发剂选自，过硫酸钾、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、过氧化二苯甲酰、偶氮二异丁腈中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，其特征在于，所述的PH缓冲剂选自、碳酸钠、碳酸氢钠、磷酸氢二钠、柠檬酸、醋酸钠、醋酸中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂，其特征在于，所述的亲水单体选自丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯中的一种或几种。
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