CN110444718B - 具有高粘结性聚合物涂膜的陶瓷复合隔膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有高粘结性聚合物涂膜的陶瓷复合隔膜的制备方法,包括:将陶瓷微粒、粘结剂、增稠剂、分散剂与水混合均匀得到陶瓷浆料;将聚合物粉末、粘结剂、有机改造剂、增稠剂、润湿剂和水混合均匀得到改性聚合物浆料;将陶瓷浆料涂布于基膜至少一个表面上并干燥形成陶瓷层;将改性聚合物浆料涂覆于陶瓷层外表面上形成聚合物层;使经涂覆的隔膜表面与水接触进行萃取硬化;使隔膜干燥得到陶瓷复合隔膜。采用本发明的制备复合隔膜的方法制备的复合隔膜中,改性聚合物之间及改性聚合物与隔膜之间粘结力增大,并且相对于常规复合隔膜,对于正极片具有较高的粘结力。本发明还涉及由该方法制备得到的陶瓷复合隔膜和包括该陶瓷复合隔膜的锂电池。
Description
技术领域
本发明属于隔膜技术领域,涉及一种制备具有高粘结性聚合物涂膜的陶瓷复合隔膜的方法,由该方法制备得到的陶瓷复合隔膜和包括该陶瓷复合隔膜的锂电池。
背景技术
近年来,随着电子产品的大屏化和新能源汽车的快速发展,对提供电力供应的锂离子电池提出了越来越高的要求。
在目前的锂离子电池中,通常使用聚烯烃作为隔膜。此外,为了改善隔膜的热稳定性,抗氧化性,耐热收缩性,对液体电解质的吸收性、浸润性和吸液保液的能力等,通常需要在聚烯烃隔膜表面进行陶瓷涂覆。但陶瓷层与极片间粘结力较差,保液性能有待提升,对应电池硬度不够,为了改善这些缺陷,则采用在陶瓷层外涂覆聚合物涂层。
目前,聚合物涂覆的生产工艺主要分为水性涂覆和油性涂覆两大类,其中以水性涂覆为市场主体。油性工艺粘结性较好,但容易发生堵孔及透气不良现象,目前国内仍没有很好的规避方法。与油性工艺相比,水性涂覆工艺采用水作为溶剂,具有生产成本低、对环境污染小等的优点,但粘结性较弱,与极片易发生热压不良等现象。
因此,需要研究如何改进水性涂覆工艺所制备聚合物涂膜的粘结性。
发明内容
本申请发明人通过仔细研究和实验发现,通过对水性涂覆工艺进行改进,在聚合物浆料中加入有机改造剂,并在涂覆后将陶瓷复合隔膜经水槽进行萃取硬化,可以改进聚合物涂膜的微结构,提高聚合物涂膜的粘结性,由此完成了本发明。
本发明一方面提供一种制备陶瓷复合隔膜的方法,所述方法包括:
1、将陶瓷微粒、粘结剂、增稠剂、分散剂与水混合均匀得到陶瓷浆料;
2、将聚合物粉末、粘结剂、有机改造剂、增稠剂、润湿剂和水混合均匀得到改性聚合物浆料;
3、将陶瓷浆料涂布于基膜至少一个表面上并干燥形成陶瓷层;
4、将改性聚合物浆料涂覆于陶瓷层外表面上形成聚合物层;
5、使经涂覆的隔膜表面与水接触进行萃取硬化;
6、使隔膜干燥得到陶瓷复合隔膜。
上述步骤1和2仅用于区分这两个操作,而并不代表其操作顺序。两者可以同时或先后进行。
下面分别对上述步骤进行详细描述。
步骤1
在上述步骤1中,对于将陶瓷微粒、粘结剂、增稠剂、分散剂和水混合均匀的方法没有特殊限制,只要将它们混合均匀即可,例如可以采用行星式搅拌机、均质机等。在一个实施方式中,可以将粘结剂和水混合,20~40℃、300~500rpm/min搅拌10~30min;加入陶瓷微粒、增稠剂,20~40℃、1500~2500rpm下搅拌1~2.5h;最后加入分散剂,20~40℃、100~500rpm/min搅拌10~20min,得到陶瓷浆料。按照这种方法,有助于减少粒子聚结,促进混合均匀。陶瓷浆料的固含量没有特别限制,只要不对涂布产生不利影响即可,可以根据所采用的涂布方法而适当的选择。一般而言,固含量可以为20~50wt%。
在一个实施方式中,陶瓷微粒、粘结剂、增稠剂和分散剂的用量比可以为:陶瓷微粒70~95份,优选为75~90份,例如,76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89份等;粘结剂2~20份,优选为5~15份,例如6、7、8、9、10、11、12、13、14份等;增稠剂1~15份,优选为1~10份,例如1.5、2、3、4、5、6、7、8、9份等;分散剂0.1~3份,优选为0.3~2份,例如,0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.2、1.5、1.8等。
所述陶瓷微粒指的是粒径在0.1~5μm之间,例如粒径为0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.5μm、2.0μm、2.5μm、3.0μm、3.5μm、4.0μm、4.5μm的陶瓷微粒。
所述陶瓷微粒可以为选自氧化铝、氧化钛、氧化镁、氢氧化镁、勃姆石等中的一种或几种。
所述陶瓷浆料中,所述分散剂用于促使陶瓷微粒在水性浆料中的分散,例如可以为选自聚丙烯酸盐、聚乙二醇醚、磷酸盐类化合物中的一种或多种。所述聚丙烯酸盐例如为聚丙烯酸钠。
所述陶瓷浆料中,所述粘结剂(也可以称为粘合剂、粘接剂)可以为本领域中已知的用于粘接陶瓷的任何水性粘结剂,用于将陶瓷粘结成整体层状。例如其可以为选自聚(甲基)丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸酯(例如丙烯酸乳液、纯丙乳液、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸丁酯、聚丙烯酸乙酯等)、丁二烯-苯乙烯共聚物(例如丁苯乳液等)、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(例如苯丙乳液等)、聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚氨酯、(甲基)丙烯酸-(甲基)丙烯酸酯共聚物等中的一种或几种水性粘结剂,但是不限于此。
所述陶瓷浆料中,所述增稠剂用于调节水性浆料的粘度,改善浆料的可涂布性,比如可以为选自羧甲基纤维素(CMC)、羧乙基纤维素、聚乙烯醇、海藻酸钠、聚氧化乙烯、聚氨酯、聚丙烯酰胺、瓜尔胶等中的一种或几种,但是不限于此。在制备陶瓷层时,所述增稠剂在使用之前通常被制备成固含量0.1wt%~5wt%的预混水溶液的形式,但是不限于此。
步骤2
在上述步骤2中,对于将聚合物粉末、粘结剂、有机改造剂、增稠剂、润湿剂和水混合均匀的方法没有特殊限制,只要将它们混合均匀即可,例如可以采用行星式搅拌机、均质机等。在实施方式中,所述改性聚合物浆料如下制备:将聚合物粉末、粘结剂、增稠剂和占水总量60%~80%的水混合,在20~50℃混匀,得到预混溶液1;将占水总量20%~40%的水与有机改造剂混匀,得到预混溶液2;将预混溶液2加入预混溶液1中,在20~50℃混匀,继而加入润湿剂混匀,得到改性聚合物浆料。
所述改性聚合物浆料的固含量没有特别限制,只要适合用涂覆于基膜表面并形成所需厚度的涂层即可。一般而言,浆料的固含量可以为5%~40%,优选为10%~35%。
在实施方式中,聚合物粉末、粘结剂、增稠剂、润湿剂的重量比可以为:聚合物粉末:65~95份,优选70~90份,例如71、72、73、74、75、76、77、78、79、80、81、82、83、84、85、86、87、88、89份等;粘结剂:1~20份,优选2~15份,例如3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14份等;增稠剂:0.1~5份,优选0.2~3份,例如0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8份等;润湿剂:0.05~1份,优选0.1~0.8份,例如,0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9份等。水的用量没有特别限制,只要将浆料的固含量调节到适合涂覆即可。
所述聚合物粉末用于提高隔膜与极片间的粘结力,可以为选自偏氟乙烯均聚物(PVDF),偏氟乙烯共聚物(例如聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP))、甲基丙烯酸甲酯均聚物(PMMA)、甲基丙烯酸甲酯共聚物、芳纶、聚丙烯腈、聚氧化乙烯中的一种或多种。对于聚合物粉末的粒径没有特殊要求,只要其适合用于隔膜即可,一般而言,可以为0.1~15μm,例如0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、11.0、12.0、13.0、14.0μm等。
所述粘结剂(也可以称为粘合剂、粘接剂)可以为本领域中已知的用于粘接上述聚合物粉末的任何水性粘结剂,用于将聚合物粉末粘结成整体层状。例如其可以为选自聚(甲基)丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸酯(例如丙烯酸乳液、纯丙乳液、聚甲基丙烯酸丁酯、聚丙烯酸乙酯等)、丁二烯-苯乙烯共聚物(例如丁苯乳液等)、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物(例如苯丙乳液等)、聚醋酸乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚氨酯、(甲基)丙烯酸-(甲基)丙烯酸酯共聚物等中的一种或几种水性粘结剂,但是不限于此。
所述增稠剂可以为本领域中已知的用于制备聚合物粉末浆料的任何增稠剂,用于调节改性聚合物浆料的粘度,改善浆料的可涂布性,比如可以为选自羧甲基纤维素(CMC)、羧乙基纤维素、聚乙烯醇、海藻酸钠、聚氧化乙烯、聚氨酯、聚丙烯酰胺、瓜尔胶等中的一种或几种,但是不限于此。所述增稠剂在使用之前通常被制备成固含量0.1wt%~5wt%的预混水溶液的形式,但是不限于此。
所述润湿剂可以为本领域中已知的用于制备聚合物粉末浆料的任何润湿剂,用于降低改性聚合物浆料表面张力,改善浆料在基膜表面的浸润性,例如其可以为选自聚氧乙烯烷基胺,氟代烷基甲氧基醇醚、烷基萘磺酸钠(例如丁基萘磺酸钠、异丙基萘磺酸钠)、芳基萘磺酸钠、烷基苯磺酸钠(例如十二烷基苯磺酸钠)或烷基硫酸钠,脂肪醇聚氧乙烯醚等中的一种或几种,但是不限于此。
所述有机改造剂是能够溶解聚合物粉末且与水能互溶的有机溶剂,用于使聚合物粉末的表面分子凝胶化。通过在聚合物浆料中加入一定量的有机改造剂,可以使聚合物粉末的凝胶化达到平衡,不仅提高聚合物粉末在浆料中的分散性,而且聚合物粉末被表面凝胶分子层包覆形成具有粘弹性的改性聚合物粉末。在实施方式中,所述有机改造剂可以为选自二甲基乙酰胺(DMAC)、丙酮、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)中的一种或多种。以重量计,有机改造剂的用量可以为改性聚合物浆料总量的1%~40%,优选1%~30%,更优选1%~20%,例如2%、3%、4%、5%、6%、8%、10%、15%、20%、25%等。
步骤3
在上述步骤3中,所述基膜可以为现有技术中已知的任何适用于锂电池的基膜,例如其可以为微孔膜、多孔膜或无纺布膜。所述微孔膜和多孔膜可以为聚烯烃膜,例如,聚乙烯或聚丙烯膜。在实施方式中,聚烯烃基膜可以为单层聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)隔膜,或聚乙烯与聚丙烯多层复合膜(例如聚丙烯/聚乙烯双层膜,聚丙烯/聚丙烯双层膜,聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层复合膜等)。所述聚烯烃基膜可以采用湿法或干法工艺单向或双向拉伸制备,或者采用热致相分离法制备。所述无纺布膜的材质和制备方法没有特别限定,例如可以使用选自聚丙烯、聚乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚砜、聚丙烯腈、聚酯、纤维素、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚丙烯酸酯、聚对苯酰胺、聚芳醚砜酮、芳纶和芳砜纶等中的一种或多种作为材质,可以使用选自熔喷法、纺黏法、湿法抄纸、水刺法、针刺法、热轧法等中的一种或多种制备。
对所述基膜的孔径和孔隙率没有特别限定,只要其适合用作锂电池的隔膜即可。一般而言,孔径要求在0.01~0.1μm范围内,例如0.02μm、0.03μm、0.04μm、0.05μm、0.06μm、0.07μm、0.08μm、0.09μm等。孔径小于0.01μm时,锂离子穿过能力太小;孔径大于0.1μm,电池内部枝晶生成时电池易短路。孔隙率一般20%至80%之间,特别是在30%~50%之间,例如35%,40%,45%,55%,60%,65%,70%等。
对所述基膜的厚度没有特别限定,只要其适合用作锂电池的隔膜即可。一般而言,厚度为30μm以下,例如可以为3~20μm,5~20μm或3~16μm,例如4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm等。
在上述步骤3中,对于将陶瓷浆料涂覆在基膜表面上的方法没有特别限制,可以采用本领域中的任何合适的方法和设备。例如,可以将步骤1中所述陶瓷浆料采用微凹版涂布方式涂布于基膜的一侧或两侧。
对于陶瓷层的干燥方法没有限制,只要其适合于制备隔膜即可。例如,可以采用烘干。例如,采用30~65℃烘箱烘干。
在实施方式中,陶瓷层的厚度可以为0.5~10μm,优选1~5μm,例如,所述陶瓷层的厚度可以为1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm等。在厚度小于0.5μm的情况下,可能导致收缩较基膜改变不大,收缩改善不明显;而在厚度大于10μm的情况下,可能导致陶瓷层易掉粉,且隔膜透气增长较大。不局限于任何理论,通过在基膜上增加陶瓷层,可以提高隔膜的热稳定性和力学性能,并且提高隔膜对于电解质的浸润性,从而使得倍率性能、循环性能改善。
步骤4
在上述步骤4中,对于将改性聚合物浆料涂覆在陶瓷层外表面上的方法没有特别限制,可以采用本领域中的任何合适的方法和设备。例如,可以将步骤2中所述改性聚合物浆料采用微凹版涂布方式涂布于陶瓷层外表面上。
对于聚合物层的厚度没有特别限制,可以为本领域中的常规厚度。例如,干燥后,聚合物层的厚度可以为1~10μm,例如,1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm等。
步骤5
在步骤5中,使经涂覆的隔膜表面与水接触的方法没有特别限制,可以采用本领域中任何合适的方式。例如,可以仅将经涂覆的隔膜表面与水接触,也可以将隔膜整体浸入水中。此外,在水中可以含有0.1~60wt%,例如0.1~40wt%,0.1~20wt%或0.1~5wt%的有机改造剂。步骤5可以在水槽中进行,但是不限于此。不局限于特定理论,在将改性聚合物浆料涂覆于隔膜后,在有机改造剂作用下粘弹性改性的聚合物粉末相互交织在一起,在与水接触的过程中,涂层中的有机改造剂被置换至水中,从而使得粘弹性改性的聚合物粉末表面硬化,使聚合物粉末之间及聚合物粉末与隔膜之间粘结力增大。
步骤6
在步骤6中,对于干燥方法没有限制,只要其适合于制备隔膜即可。例如,可以采用烘干,例如,在30~80℃烘干。在实施方式中,可以将隔膜经过3节烘箱烘烤,例如三节烘箱温度可以分别为30~60℃、50~80℃、40~60℃。
根据本发明的制备陶瓷复合隔膜的方法还可以根据需要包括制备石墨层、静电纺丝层、热闭合层、纳米阻燃层等操作。上述制备石墨层、静电纺丝层、热闭合层、纳米阻燃层等操作可以采用本领域中制备这些层的常规操作进行。
在本发明中,所使用的水没有特别限制,只要其是本领域中适合用于制备隔膜的水即可,例如,可以为去离子水(DI水)、蒸馏水或milli-Q水。
本发明另一方面提供一种陶瓷复合隔膜,其采用根据本发明的制备陶瓷复合隔膜的方法制备。
在实施方式中,根据本发明的陶瓷复合隔膜包括:基膜,在基膜至少一个表面上设置的陶瓷层,以及在陶瓷层上设置的聚合物层。
由于采用了根据本发明的制备陶瓷复合隔膜的方法,根据本发明的陶瓷复合隔膜中,改性聚合物之间及改性聚合物与隔膜之间粘结力增大,并且相对于常规复合隔膜,对于正极片具有提高的粘结力。
另外,除了基膜和按照根据本发明的制备陶瓷复合隔膜的方法在基膜表面上设置的陶瓷层和聚合物层以外,根据本发明的陶瓷复合隔膜还可以根据需要包括石墨层、静电纺丝层、热闭合层、纳米阻燃层等,这些层可以按照本领域中的常规方法制备。
本发明再一方面涉及一种锂电池,其包括上述陶瓷复合隔膜。
除了上述复合隔膜之外,所述锂电池可以具有本领域中锂电池的常规结构和组件,例如,还包括负极、正极、电解液和铝塑膜等。对于负极、正极、电解液和铝塑膜没有特殊限制,可以采用本领域中已知的任何可用于锂电池的负极、正极、电解液和铝塑膜。例如,所述负极可以包括负极片和涂覆于负极片上的负极活性物质层;所述正极可以包括正极片和涂覆于正极片上的正极活性物质层;所述电解液可以为碳酸酯类、碳酸烯酯类、羧酸酯类电解液中的一种或几种。此外,对于锂电池的结构和组装方法也没有任何特殊限制,可以采用本领域中已知的任何可用于锂电池的结构和组装方法。
在一个实施方式中,所述锂电池包括:设置有正极活性物质层的正极片、上述隔膜、设置有负极活性物质层的负极片和电解液。
在一个实施方式中,所述正极片为铝箔,厚度8~15μm,例如9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm等;所述负极片为铜箔,厚度5~20μm,例如6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm等。
在上文中已经详细地描述了本发明,但是上述实施方式本质上仅是例示性,且并不欲限制本发明。此外,本文并不受前述现有技术或发明内容或以下实施例中所描述的任何理论的限制。
除非另有明确说明,在整个申请文件中的数值范围包括其中的任何子范围和以其中给定值的最小子单位递增的任何数值。除非另有明确说明,在整个申请文件中的数值表示对包括与给定值的微小偏差以及具有大约所提及的值以及具有所提及的精确值的实施方案的范围的近似度量或限制。除了在详细描述最后提供的工作实施例之外,本申请文件(包括所附权利要求)中的参数(例如,数量或条件)的所有数值在所有情况下都应被理解为被术语“大约”修饰,不管“大约”是否实际出现在该数值之前。“大约”表示所述的数值允许稍微不精确(在该值上有一些接近精确;大约或合理地接近该值;近似)。如果“大约”提供的不精确性在本领域中没有以这个普通含义来理解,则本文所用的“大约”至少表示可以通过测量和使用这些参数的普通方法产生的变化。例如,“大约”可以包括小于或等于10%,小于或等于5%,小于或等于4%,小于或等于3%,小于或等于2%,小于或等于1%或者小于或等于0.5%的变化,并且在某些方面,小于或等于0.1%的变化。
除非另有明确说明,在整个申请文件中的用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其他任何类似用语均属于开放性用语,其表示一组合物或制品除了包括本文所列出的这些要素以外,还可包括未明确列出但却是组合物或制品通常固有的其他要素。此外,在本文中,用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”的解读应视为已具体公开并同时涵盖“由…所组成”及“基本上由…所组成”等封闭式或半封闭式连接词。“基本上由…所组成”表示本文所列出的这些要素占该组合物或制品的95%以上,97%以上,或者在某些方面,99%以上。
除非另有明确说明,在整个申请文件中的份数均指的是重量份。
有益效果
在常规的陶瓷复合隔膜制备过程中,聚合物浆料一般包括聚合物粉末、粘结剂、分散剂和润湿剂,而不含有机改造剂。本发明的制备陶瓷复合隔膜的方法通过在浆料制备过程中加入与水能互溶的有机改造剂形成改性聚合物浆料,所加入的有机改造剂能够使聚合物粉末表面分子凝胶化,在浆料中含有一定含量的有机改造剂,可以使得浆料中的聚合物粉末表面分子的凝胶化达到平衡,不仅提高聚合物粉末在浆料中的分散性,而且聚合物粉末被表面凝胶分子层包覆形成具有粘弹性的改性聚合物。
本发明的制备复合隔膜的方法中,在将改性聚合物浆料涂覆于基膜后,在涂层中用有机改造剂导致粘弹性改性的聚合物粉末相互交织在一起。在与含有机改造剂的水溶液接触后,涂层中的有机改造剂被快速置换至水中,从而使得粘弹性改性的聚合物粉末表面硬化,从而聚合物粉末之间及聚合物粉末与隔膜之间粘结力增大。
采用本发明的制备复合隔膜的方法制备的复合隔膜透气性好,离子电导率好。此外,本发明的制备复合隔膜的方法中,聚合物涂层一次涂覆完成,成本低,能耗小。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的陶瓷复合隔膜表面涂层的SEM形貌图。
图2是对比例1制备的常规陶瓷复合隔膜表面涂层的SEM形貌图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例
试剂和仪器
除非另有说明,所用材料和试剂均为市售常规用于锂电池相关材料生产的产品。
搅拌采用深圳市新嘉拓自动化技术有限公司制造的DJ200行星式搅拌机进行。
制备例1:陶瓷隔膜制备:
1、80份氧化铝、15份固含量50%的丁苯橡胶和120份DI水混合,30℃和1500rpm下搅拌1h,继而加入100份增稠剂(2%CMC预混水溶液)和0.5份氟代烷基甲氧基醇醚,30℃和1000rpm下搅拌2h,得到陶瓷浆料;
2、将陶瓷浆料涂覆于7μm聚烯烃一侧,涂覆速度50m/min,烘干后得到陶瓷隔膜,陶瓷层厚度3μm。
实施例1
1、80份PVDF、10份固含量50%的丁苯橡胶乳液、20份增稠剂(4%CMC预混水溶液)、100份DI水混合,30℃和1000rpm下搅拌1.5h,得到预混溶液1;
2、133.2份DI水与27.5份DMAC充分混合,得到预混溶液2;
3、将预混溶液2加入预混溶液1中,30℃和1500rpm下搅拌1h,继而加入0.1份氟代烷基甲氧基醇醚,500rpm下搅拌20min,得到改性PVDF浆料,浆料固含量为约25wt%,浆料中DMAC占比约为8wt%;
4、将上述浆料通过微凹版涂覆于制备例1得到的陶瓷隔膜的陶瓷层上,经过含3%DMAC的DI水槽进行萃取硬化,然后进入35℃、55℃、40℃三节烘箱烘烤干燥,收卷得到陶瓷复合隔膜,其中PVDF层厚度为约4μm。
最终所得陶瓷复合隔膜表面的SEM形貌图如图1所示。
由图1可以看出,本发明所得陶瓷复合隔膜表面聚合物出现凝胶化现象,提高聚合物颗粒间及聚合物与隔膜间的粘结力。
实施例2
1、80份PVDF-HFP、10份固含量50%的丁苯橡胶乳液、15份增稠剂(4%CMC预混水溶液)、100份DI水混合,30℃和1000rpm下搅拌1.5h,得到预混溶液1;
2、86份DI水与51.4份DMAC充分混合,得到预混溶液2;
3、将预混溶液2加入预混溶液1中,30℃和1500rpm下搅拌1h,继而加入0.1份氟代烷基甲氧基醇醚,500rpm下搅拌20min,得到改性PVDF-HFP浆料,浆料固含量为约25wt%,浆料中DMAC占比约为15wt%;
4、将上述浆料通过微凹版涂覆于制备例1得到的陶瓷隔膜的陶瓷层上,经过含约3wt%DMAC的水槽进行萃取硬化,然后进入45℃、65℃、50℃三节烘箱烘烤干燥,收卷得到陶瓷复合隔膜,其中PVDF-HFP层厚度为约4μm。
实施例3
1、80份PMMA、25份固含量20%的聚丙烯酸乙酯乳液、50份增稠剂(2%CMC预混水溶液)、100份DI水混合,30℃和1000rpm下搅拌2h,得到预混溶液1;
2、132份DI水与43份DMAC充分混合,得到预混溶液2;
3、将预混溶液2加入预混溶液1中,30℃和1500rpm下搅拌1.5h,继而加入0.2份聚氧乙烯烷基胺,500rpm下搅拌30min,得到改性PMMA浆料,浆料固含量为约20wt%,浆料中NMP占比为约10%;
4、将上述浆料通过微凹版涂覆于制备例1得到的陶瓷隔膜的陶瓷层上,经过含约3wt%NMP的水槽进行萃取硬化,然后进入45℃、55℃、50℃三节烘箱烘烤干燥,收卷得到陶瓷复合隔膜,其中PMMA层厚度为约4μm。
实施例4
1、80份PMMA、20份固含量20%的聚丙烯酸甲酯乳液、50份增稠剂(2%CMC预混水溶液)、100份DI水混合,30℃和1000rpm下搅拌2h,得到预混溶液1;
2、111.25份DI水与63.75份DMAC充分混合,得到预混溶液2;
3、将预混溶液2加入预混溶液1中,30℃和1500rpm下搅拌1.5h,继而加入0.2份聚氧乙烯烷基胺,200rpm下搅拌30min,得到改性PMMA浆料,浆料固含量为约20wt%,浆料中NMP占比为约15wt%;
4、将上述浆料通过微凹版涂覆于制备例1得到的陶瓷隔膜的陶瓷层上,经过含3%NMP的水槽进行萃取硬化,然后进入45℃、65℃、50℃三节烘箱烘烤干燥,收卷得到陶瓷复合隔膜,其中PMMA层厚度为约4μm。
对比例1
1、80份PVDF、10份固含量50%的丁苯橡胶乳液、20份增稠剂(4%CMC预混水溶液)、100份DI水混合,30℃和1000rpm下搅拌1.5h,得到预混溶液;
2、上述预混溶液中加入160.7份DI水,30℃和1500rpm下搅拌1h,继而加入0.1份氟代烷基甲氧基醇醚,500rpm下搅拌20min,得到PVDF浆料,浆料固含量为约25wt%;
3、将上述浆料通过微凹版涂覆于制备例1得到的陶瓷隔膜的陶瓷层上,经过35℃、55℃、40℃三节烘箱烘烤干燥,收卷得到陶瓷复合隔膜,其中PVDF层厚度为约4μm。
最终所得隔膜表面的SEM形貌图如图2所示。
由图2可以看出,常规方法所得复合隔膜表面颗粒物理作用聚集,表面未发生溶胀或凝胶化现象,不利于粘结力的提升。
对比例2
1、80份PVDF-HFP、149份DMAC混合,30℃和1500rpm下搅拌4h,然后继续加入149份DMAC,30℃和1000rpm下搅拌1h,得到油性PVDF-HFP浆料;
2、将上述浆料通过微凹版涂覆于制备例1得到的陶瓷隔膜的陶瓷层上,经过含15%DMAC的水槽进行萃取硬化,然后进入35℃、55℃、40℃三节烘箱烘烤干燥,收卷得到陶瓷复合隔膜,其中PVDF-HFP层厚度为约2μm。
实验1透气值测量
测量方法:取制备例1的陶瓷隔膜和实验例1至4与对比例1~2的陶瓷复合隔膜,使用旭精工王研式透气度试验机测试透气值(单位:sec/100cc)并计算透气增加值,结果见表1。
透气值,反映隔膜的透过能力,是指在透气仪中,在一定的压力下,测试100ml的空气透过一定面积的隔膜所用的时间(秒)。
表1
类型 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 |
陶瓷隔膜 | 135 | 142 | 143 | 137 | 145 | 140 |
陶瓷复合隔膜 | 147 | 156 | 154 | 150 | 160 | 189 |
透气增加值 | 12 | 14 | 11 | 13 | 15 | 49 |
由表1数据可以看出,在对比例2的含有油性PVDF-HFP聚合物层的陶瓷复合隔膜的情况下,透气增加较大,对比例1的水性复合隔膜透气增加值较小,透气性良好,实施例1~4的改性复合隔膜的透气增加值更小,透气性更好。
实验2与极片粘结力测试
正极片制备:将50份锰酸锂、10份聚偏氟乙烯、5份乙炔黑、80份NMP混合搅拌制浆,涂覆于铝箔两侧,烘干后得到正极片,涂层厚度25μm。
使用实验例1至4与对比例1~2的陶瓷复合隔膜和上述正极片如下制备测试样品。
干压:将正极片、隔膜、正极片、隔膜……依次叠片至4层,85℃和2MPa压力条件下热压10min,冷却后进行隔膜与极片的剥离力测试。
湿压:使用溶剂组成为碳酸乙烯酯(EC):碳酸二乙酯(DEC):甲基乙基碳酸酯(EMC)=1:1:1(体积比),含1mol/L LiPF6的混合电解液,润湿隔膜表面,然后将正极片、隔膜、正极片、隔膜……依次叠片至4层,85℃和2MPa压力条件下热压10min,冷却后进行隔膜与极片的剥离力测试。
剥离力测量如下进行:
在钢板上粘贴一层双面胶,将隔膜平整轻压放置于双面胶上,然后在涂膜上方粘贴一层测试胶带,手持压辊(2000g)在测试胶带上进行来回滚动三次;
将胶带一端撕至样品中间位置,试验拉力机进行180度剥离,剥离速度:50mm/min,剥离测试时长1min;
将测试拉力数值除以相应胶带的宽度得到最终的剥离力N/m。
测试结果见表2。
表2剥离力(N/m)
类型 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 对比例1 | 对比例2 |
干压 | 6.89 | 6.98 | 7.35 | 8.01 | 2.43 | 4.76 |
湿压 | 5.85 | 5.32 | 5.44 | 5.56 | 1.76 | 2.77 |
由表2数据可以看出,实施例1~4的陶瓷复合隔膜对于极片的粘结力>对比例2的油性陶瓷复合隔膜>对比例1的水性陶瓷复合隔膜。
Claims (20)
1.一种制备陶瓷复合隔膜的方法,所述方法包括:
(1)、将陶瓷微粒、粘结剂、增稠剂、分散剂与水混合均匀得到陶瓷浆料;
(2)、将聚合物粉末、粘结剂、有机改造剂、增稠剂、润湿剂和水混合均匀得到改性聚合物浆料;其中,所述有机改造剂是能够溶解聚合物粉末且与水能互溶的有机溶剂,用于使聚合物粉末的表面分子凝胶化;其中,以重量计,有机改造剂的用量为改性聚合物浆料总量的1%~40%;所述改性聚合物浆料如下制备:将聚合物粉末、粘结剂、增稠剂和占水总量60%~80%的水混合,在20~50℃混匀,得到预混溶液1;将占水总量20%~40%的水与有机改造剂混匀,得到预混溶液2;将预混溶液2加入预混溶液1中,在20~50℃混匀,继而加入润湿剂混匀,得到改性聚合物浆料;
(3)、将陶瓷浆料涂布于基膜至少一个表面上并干燥形成陶瓷层;
(4)、将改性聚合物浆料涂覆于陶瓷层外表面上形成聚合物层;
(5)、使经涂覆的隔膜表面与水接触进行萃取硬化,其中,在水中含有0.1~60wt%的有机改造剂;
(6)、使隔膜干燥得到陶瓷复合隔膜。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,
所述陶瓷浆料如下制备:将粘结剂和水混合,20~40℃、300~500rpm/min搅拌10~30min;加入陶瓷微粒、增稠剂,20~40℃、1500~2500rpm下搅拌1~2.5h;最后加入分散剂,20~40℃、100~500rpm/min搅拌10~20min,得到陶瓷浆料;和/或
所述陶瓷浆料的固含量为20~50wt%;和/或
所述改性聚合物浆料的固含量为5%~40%。
3.根据权利要求1所述的方法,其中,所述改性聚合物浆料的固含量为10%~35%。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,步骤(1)中,
陶瓷微粒、粘结剂、增稠剂和分散剂的用量比为:陶瓷微粒70~95份;粘结剂2~20份;增稠剂1~15份;分散剂0.1~3份;和/或
所述陶瓷微粒的粒径为0.1~5μm;和/或
所述陶瓷微粒为选自氧化铝、氧化钛、氧化镁、氢氧化镁、勃姆石等中的一种或几种;和/或
所述分散剂为选自聚丙烯酸盐、聚乙二醇醚、磷酸盐类化合物中的一种或多种;和/或
所述粘结剂为选自聚(甲基)丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸酯、丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚偏氟乙烯、聚醋酸乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚氨酯、(甲基)丙烯酸-(甲基)丙烯酸酯共聚物中的一种或几种水性粘结剂;和/或
所述增稠剂为选自羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、聚乙烯醇、海藻酸钠、聚氧化乙烯、聚氨酯、聚丙烯酰胺、瓜尔胶等中的一种或几种。
5.根据权利要求1或4所述的方法,其中,步骤(1)中,
陶瓷微粒、粘结剂、增稠剂和分散剂的用量比为:陶瓷微粒75~90份;粘结剂5~15份;增稠剂1~10份;分散剂0.3~2份。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,步骤(2)中,
聚合物粉末、粘结剂、增稠剂、润湿剂的用量比为:聚合物粉末:65~95份;粘结剂:1~20份;增稠剂:0.1~5份;润湿剂:0.05~1份;和/或
所述聚合物粉末为选自偏氟乙烯均聚物,偏氟乙烯共聚物、甲基丙烯酸甲酯均聚物、甲基丙烯酸甲酯共聚物、芳纶、聚丙烯腈、聚氧化乙烯中的一种或多种;和/或
聚合物粉末的粒径为0.1~15μm;和/或
所述粘结剂为选自聚(甲基)丙烯酸、聚(甲基)丙烯酸酯、丁二烯-苯乙烯共聚物、苯乙烯-丙烯酸酯共聚物、聚醋酸乙烯酯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚丙烯腈、聚氨酯、(甲基)丙烯酸-(甲基)丙烯酸酯共聚物中的一种或几种水性粘结剂;和/或
所述增稠剂为选自羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、聚乙烯醇、海藻酸钠、聚氧化乙烯、聚氨酯、聚丙烯酰胺、瓜尔胶中的一种或几种;和/或
所述润湿剂为选自聚氧乙烯烷基胺,氟代烷基甲氧基醇醚、烷基萘磺酸钠、芳基萘磺酸钠、烷基苯磺酸钠或烷基硫酸钠,脂肪醇聚氧乙烯醚中的一种或几种;和/或
以重量计,有机改造剂的用量为改性聚合物浆料总量的1%~30%。
7.根据权利要求1或6所述的方法,其中,步骤(2)中,
聚合物粉末、粘结剂、增稠剂、润湿剂的用量比为:聚合物粉末:70~90份;粘结剂:2~15份;增稠剂:0.2~3份;润湿剂:0.1~0.8份。
8.根据权利要求6所述的方法,其中,步骤(2)中,有机改造剂的用量为改性聚合物浆料总量的1%~20%。
9.根据权利要求1所述的方法,其中,
步骤(3)中,所述基膜为微孔膜、多孔膜或无纺布膜;和/或所述基膜的孔径为0.01~0.1μm,孔隙率为20%至80%,厚度为3~20μm;和/或陶瓷层的厚度为0.5~10μm;和/或
步骤(4)中,干燥后聚合物层的厚度为1~10μm。
10.根据权利要求1或9所述的方法,其中,
步骤(3)中,所述基膜为聚烯烃膜。
11.根据权利要求10所述的方法,其中,所述聚烯烃膜为聚乙烯或聚丙烯膜。
12.根据权利要求1或9所述的方法,其中,
步骤(3)中,陶瓷层的厚度为1~5μm。
13.根据权利要求1所述的方法,其中,在步骤(5)中,在水中含有0.1~40wt%的有机改造剂。
14.根据权利要求1所述的方法,其中,在步骤(5)中,在水中含有0.1~20wt%的有机改造剂。
15.根据权利要求1所述的方法,其中,在步骤(5)中,在水中含有0.1~5wt%的有机改造剂。
16.根据权利要求1、6、8、13-15任一项所述的方法,其中,所述有机改造剂为选自二甲基乙酰胺、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜中的一种或多种。
17.根据权利要求1所述的方法,其中,在步骤(6)中通过将隔膜经过3节烘箱烘烤进行干燥。
18.根据权利要求17所述的方法,其中,三节烘箱温度分别为30~60℃、50~80℃、40~60℃。
19.一种陶瓷复合隔膜,其采用权利要求1~18任一项所述的方法制备。
20.一种锂电池,其包括权利要求19所述的陶瓷复合隔膜。
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GR01 | Patent grant | ||
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