CN111073483A - 一种正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

为克服现有技术中树脂对碳材料的分散性不足，交联温度高、导电性能不佳，耗能高，生产效率慢，并不能同时满足耐溶剂性的问题，本发明提供一种正极水性涂碳铝箔涂料，包括以下组分，水性树脂、水性交联剂、催化剂、导电碳材料和水，水性交联剂包括高度甲醚化三聚氰胺甲醛树脂和异氰酸酯中的一种或两种，催化剂包括对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、氨基磺酸、二壬基萘二磺酸和二壬基萘磺酸中的一种或多种。同时，本发明还公开了上述正极水性涂碳铝箔涂料的制备方法。本发明提供的正极水性涂碳铝箔涂料导电性好、粘结性强和良好的耐溶剂性，能提高生产效率和降低能耗。

Description

一种正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法。
背景技术
近年来，新能源电动汽车发展迅速，动力电池更是新能源汽车的核心。锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长和电压平台高等优点成为新能源汽车动力电池的首选。涂碳铝箔用作锂离子电池正极集流体可以增加正极材料的浸润性和黏附力，降低极化内阻，提高电池一致性，改善高倍率性能。目前市场上的涂碳铝箔使用导电碳浆涂覆在铝箔表面，形成1～3μm的碳涂层。碳系导电涂料是涂碳铝箔技术的核心，为适应市场绿色环保的需求，水性涂碳铝箔涂料成为了目前市场上的主流。
一种好的水性涂碳铝箔涂料，需要满足以下性能：导电性好、耐溶剂性好、粘附性好、施工性好以及性能稳定性好。制备性能优良的涂碳铝箔需要在保证粘附力的同时，最大程度地提升导电性能。所以除了碳材料的筛选，添加尽可能少的树脂也是提升导电性能的一个重要因素。这要求树脂具有较强的分散能力和粘附力。树脂的交联固化是提高涂膜力学性能强度、耐溶剂性能和化学稳定性能的重要手段。目前市面上的低温固化水性涂碳铝箔涂料很难同时满足耐水性、耐电解液、耐N-甲基吡咯烷酮(NMP，N-Methyl pyrrolidone)、耐碳酸二甲酯(DMC，dimethyl carbonate)的性能要求。许多热固型树脂性能优良，能满足上述的性能要求，但是需要很高的交联温度或交联时间。如环氧-氨基充分交联需要170～180℃的温度，1min以上的交联时间，其交联效率低，不利于流水线的生产。传统的涂碳铝箔使用的电池箔厚度在12～20μm，在高温烘烤下，铝箔会严重变形，改变铝箔张力分布，导致后续加工困难。传统的油性涂碳铝箔涂料，溶剂使用的是NMP，烘干温度高，对环境不友好。
专利申请号CN201610715505.5公开了一种紫外光固化涂碳铝箔集流体及制备方法。该专利采用光固化交联涂碳铝箔涂料，得到低温固化涂层，并且能够得到同时满足耐水性、耐NMP、耐电解液、耐DMC性能佳的涂碳铝箔。但是由于该涂料是利用紫外光固化，原有的固化设备不能进行生产。专利申请号CN201710010344.4公开了一种涂碳铝箔、制备方法及应用。该专利采用一种涂碳铝箔由铝箔以及沿铝箔至少一个表面向外依次设置的Super P导电层、石墨烯导电层和混合导电层(含有VGCF、CNT、Super P导电剂中的至少两种)构成。该方法生产工序复杂，生产效率低。
因此，解决传统的涂碳铝箔涂料中的树脂对碳材料的分散性不足，交联温度高、导电性能不佳，耗能高，生产效率慢，并不能同时满足耐溶剂性，这成为了生产性能优异的涂碳铝箔涂料的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中树脂对碳材料的分散性不足，交联温度高、导电性能不佳，耗能高，生产效率慢，并不能同时满足耐溶剂性的问题，提供一种正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种正极水性涂碳铝箔涂料，包括以下重量组分：
水性树脂5～15份、水性交联剂1～5份、催化剂0.1～0.5份、导电碳材料5～15份和水；
水性交联剂包括高度甲醚化三聚氰胺甲醛树脂、异氰酸酯中的一种或两种，催化剂包括对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、氨基磺酸、二壬基萘二磺酸和二壬基萘磺酸中的一种或多种。
优选地，水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性改性丙烯酸树脂、水性苯乙烯-丙烯酸共聚树脂、水性环氧树脂、水性改性环氧树脂、水性环氧改性丙烯酸树脂、水性聚氨酯改性丙烯酸树脂和水性聚氨酯树脂中的一种或多种。
优选地，导电碳材料包括炭黑、石墨烯、石墨片和碳纳米管中的一种或多种。
优选地，正极水性涂碳铝箔涂料还包括助溶剂，助溶剂包括乙醇、正丁醇、叔丁醇、异丁醇、正丙醇、异丙醇、丙二醇甲醚、丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、二丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或多种，助溶剂的重量组分为4～10份。
优选地，正极水性涂碳铝箔涂料还包括流平剂，所述流平剂包括丙烯酸酯类流平剂、聚醚改性有机硅氧烷类流平剂、有机氟碳类流平剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、可降低表面张力的含有醚键化合物和可降低表面张力的含有双亲性基团化合物中的一种或多种，流平剂的重量组分为0.1～1份。
优选地，正极水性涂碳铝箔涂料还包括消泡剂，消泡剂包括矿物油类消泡剂、聚醚类消泡剂、有机硅氧烷类消泡剂和聚醚改性有机硅氧烷类消泡剂中的一种或多种，消泡剂的重量组分为0.1～0.5份。
优选地，正极水性涂碳铝箔涂料还包括增稠剂，增稠剂包括纤维素醚及其衍生物类增稠剂、聚丙烯酸酯类增稠剂、聚氨酯增稠剂和天然高分子及其衍生物中的一种或多种，增稠剂的重量组分为0.5～3份。
另一方面，本发明还提供一种涂碳铝箔包括铝箔以及覆盖于所述铝箔表面的涂层，涂层由上述任意一项的正极水性涂碳铝箔涂料固化得到。
另一方面，本发明提供如上所述的正极水性涂碳铝箔涂料的制备方法，包括以下步骤：
将所需份数的水性树脂溶解于水或助溶剂中，搅拌均匀；
加入所需份数的水性交联剂、助溶剂、流平剂、催化剂、消泡剂和导电碳材料，搅拌均匀，冷凝水冷却条件下用高速分散机分散3～5h，再加入增稠剂和水，搅拌均匀，得到浆料；
将浆料采用凹版或微凹版涂覆在集流体铝箔上，在80～120℃的热风烘箱中烘烤15～100s，得到涂碳铝箔。
优选地，浆料的粘度为30～300mPa·S，所述浆料的固含量为5～25％。
优选地，涂碳铝箔的碳涂覆层厚度为0.5～2μm。
本发明利用水性树脂、水性交联剂、磺酸类催化剂、导电碳材料和水制备一种性能优异的正极水性涂碳铝箔涂料，该涂料导电性好、粘结性强和良好的耐溶剂性。选择特殊的水性交联剂和催化剂，降低涂层的交联温度，加快涂层的反应速度，减少反应时间，增加铝箔的稳定性，提高生产效率和降低能耗。
附图说明
图1是本发明提供的一种正极水性涂碳铝箔涂料的实施例1的扫描电子显微镜(SEM，scanning electron microscope)表征图；
图2是本发明提供的一种正极水性涂碳铝箔涂料的实施例3的SEM表征图；
图3是本发明提供的一种正极水性涂碳铝箔涂料的实施例3的涂碳铝箔图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种正极水性涂碳铝箔涂料，包括以下重量组分：
水性树脂5～15份、水性交联剂1～5份、催化剂0.1～0.5份、导电碳材料5～15份和水；
水性交联剂包括高度甲醚化三聚氰胺甲醛树脂、异氰酸酯中的一种或两种，催化剂包括对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、氨基磺酸、二壬基萘二磺酸和二壬基萘磺酸中的一种或多种。
本发明利用水性树脂、水性交联剂、磺酸类催化剂、导电碳材料和水制备一种性能优异的正极水性涂碳铝箔涂料，该涂料导电性好、粘结性强和良好的耐溶剂性。选择特殊的水性交联剂和催化剂，降低涂层的交联温度，加快涂层的反应速度，减少反应时间，增加铝箔的稳定性，提高生产效率和降低能耗。
优选地，水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性改性丙烯酸树脂、水性苯乙烯-丙烯酸共聚树脂、水性环氧树脂、水性改性环氧树脂、水性环氧改性丙烯酸树脂、水性聚氨酯改性丙烯酸树脂和水性聚氨酯树脂中的一种或多种。
通过对水性树脂的优选，获得良好的粘结性和耐溶剂性能，其中，由于本发明选用的水性树脂为水性烯酸类树脂、水性环氧树脂和水性聚氨酯树脂中的一种或者多种，这些水性树脂对导电碳材料有比较强的分散能力和粘附力，能够减少水性树脂的添加量并相应提高导电碳材料的添加量，提高涂碳铝箔的导电性。
优选地，导电碳材料包括炭黑、石墨烯、石墨片和碳纳米管中的一种或多种。涂碳铝箔涂料使用的碳材料容易分散，分散后不易沉淀，稳定性好，且与水性树脂有着不错的协调性，提高涂碳铝箔涂料的导电能力。在本发明的实施例中，导电碳材料使用水性石墨烯浆料KN-2101、炭黑Super P和石墨片SK，这仅是实施例的优选方案，具体此处不对导电碳材料进行限定。
在本发明的一些实施例中，正极水性涂碳铝箔涂料还包括助溶剂。
助溶剂用于调节干燥速度和促进产品成膜，以便获取对铝箔的良好附着力、光泽和耐水耐化学品性能。
具体的，助溶剂包括乙醇、正丁醇、叔丁醇、异丁醇、正丙醇、异丙醇、丙二醇甲醚、丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、二丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或多种，助溶剂的重量组分为4～10份。
在本发明的一些实施例中，正极水性涂碳铝箔涂料还包括流平剂，流平剂用于降低涂料与金属包装层之间的表面张力，使涂料与金属包装层具有良好的润湿性，改进涂料流动性。涂料在干燥成膜过程中形成一个平整、光滑、均匀的涂膜。
正极水性涂碳铝箔涂料使用的流平剂包括丙烯酸酯类流平剂、聚醚改性有机硅氧烷类流平剂、有机氟碳类流平剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、可降低表面张力的含有醚键化合物和可降低表面张力的含有双亲性基团化合物中的一种或多种，其中，流平剂的重量组分为0.1～1份。
优选地，非离子表面活性剂包括烷基酚聚氧乙烯醚。
在本发明的一些实施例中，正极水性涂碳铝箔涂料还包括消泡剂，消泡剂主要是在加工过程中为降低表面张力，消除泡沫的物质。泡沫的产生大多是在外力作用下，溶液中所含表面活性物质在溶液和空气交界入形成气泡并上浮，或者有胶体物质成膜、成泡所致。
消泡剂包括矿物油类消泡剂、聚醚类消泡剂、有机硅氧烷类消泡剂和聚醚改性有机硅氧烷类消泡剂中的一种或多种，其中，消泡剂的重量组分为0.1～0.5份。
在本发明的一些实施例中，正极水性涂碳铝箔涂料还包括增稠剂，增稠剂改善涂料的粘度，增加涂料的稳定性。
增稠剂包括纤维素醚及其衍生物类增稠剂、聚丙烯酸酯类增稠剂、聚氨酯增稠剂和天然高分子及其衍生物中的一种或多种，其中，增稠剂的重量组分为0.5～3份。
优选地，天然高分子及其衍生物包括明胶、海藻酸钠和瓜尔胶中的一种或多种。
本发明还提供一种涂碳铝箔包括铝箔以及覆盖于所述铝箔表面的涂层，涂层由上述任意一项的正极水性涂碳铝箔涂料固化得到。
本发明还提供如上所述的正极水性涂碳铝箔涂料的制备方法，包括以下步骤：
将所需份数的水性树脂溶解于水或助溶剂中，搅拌均匀；
加入所需份数的水性交联剂、助溶剂、流平剂、催化剂、消泡剂和导电碳材料，搅拌均匀，冷凝水冷却条件下用高速分散机分散3～5h，再加入增稠剂和水，搅拌均匀，得到浆料；
将浆料采用凹版或微凹版涂覆在集流体铝箔上，在80～120℃的热风烘箱中烘烤15～100s，得到涂碳铝箔。
优选地，高速分散机的转速不低于4000r/min。
优选地，浆料的粘度为30～300mPa·S，所述浆料的固含量为5～25％。
优选地，涂碳铝箔的碳涂覆层厚度为0.5～2μm。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。应理解，本发明不限于以下实施案例，方法如无特别说明均视为常规方法。材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法。
正极水性涂碳铝箔涂料包括以下重量组分：
Figure BDA0002336125990000061
其制备方法包括以下步骤：
1、先按顺序添加(1)～(6)的物料，边添加边搅拌均匀；再添加物料(7)和(8)，添加时注意避免扬尘。添加完后在通冷却水冷却的情况下，用高速分散机以不低于4000r/min高速分散4小时，再添加物料(9)，低速分散10分钟，最后，添加物料(10)和(11)，中速搅拌20分钟。制备得到的浆料固含量为16％，粘度为80mPa·S。
2、将制备得到的浆料，利用凹版或微凹涂覆设备进行涂布，涂覆在集流体铝箔上，在烘烤温度110℃的条件下烘烤25秒，固化后得到碳涂覆层厚度为1μm的涂碳铝箔涂料，标记为S1。
实施例2
本实施例用于说明本发明公开的正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法。
正极水性涂碳铝箔涂料包括以下重量组分：
Figure BDA0002336125990000071
其制备方法包括以下步骤：
1、先按顺序添加(1)～(5)的物料，边添加边搅拌均匀；再添加物料(6)和(7)，添加时注意避免扬尘。添加完后在通冷却水冷却的情况下，用高速分散机以不低于4000r/min高速分散4小时，再添加物料(8)，低速分散10分钟，最后，添加物料(9)～(10)，中速搅拌20分钟。制备得到的浆料固含量为16％，粘度为80mPa·S。
2、将制备得到的浆料，利用凹版或微凹涂覆设备进行涂布，涂覆在集流体铝箔上，在烘烤温度110℃的条件下烘烤50秒，固化后得到碳涂覆层厚度为1μm的涂碳铝箔涂料，标记为S2。
实施例3
本实施例用于说明本发明公开的正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法。
正极水性涂碳铝箔涂料包括以下重量组分：
Figure BDA0002336125990000072
Figure BDA0002336125990000081
其制备方法包括以下步骤：
1、先按顺序添加(1)～(6)的物料，边添加边搅拌均匀；再添加物料(7)～(9)，添加时注意避免扬尘。添加完后在通冷却水冷却的情况下，用高速分散机以不低于4000r/min高速分散4小时，再添加物料(10)，低速分散10分钟，最后，添加物料(11)和(12)，中速搅拌20分钟。制备得到的浆料固含量为16％，粘度为100mPa·S。
2、将制备得到的浆料，利用凹版或微凹涂覆设备进行涂布，涂覆在集流体铝箔上，在烘烤温度120℃的条件下烘烤30秒，固化后得到碳涂覆层厚度为1μm的涂碳铝箔涂料，标记为S3。
实施例4
本实施例用于说明本发明公开的正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法。
正极水性涂碳铝箔涂料包括以下重量组分：
Figure BDA0002336125990000082
Figure BDA0002336125990000091
其制备方法包括以下步骤：
1、先按顺序添加(1)～(5)的物料，边添加边搅拌均匀；再添加物料(6)～(8)，添加时注意避免扬尘。添加完后在通冷却水冷却的情况下，用高速分散机以不低于4000r/min高速分散4小时，再添加物料(9)，低速分散10分钟，最后，添加物料(10)～(11)，中速搅拌20分钟。制备得到的浆料固含量为16％，粘度为100mPa·S。
2、将制备得到的浆料，利用凹版或微凹涂覆设备进行涂布，涂覆在集流体铝箔上，在烘烤温度120℃的条件下烘烤50秒，固化后得到碳涂覆层厚度为1μm的涂碳铝箔涂料，标记为S4。
对比例1
本对比例用于对比说明本发明公开的正极水性涂碳铝箔涂料及其制备方法。
取市售得到的涂碳铝箔涂料，标记为D1。
性能测试
对上述制备得到的正极水性涂碳铝箔涂料S1～S4和D1进行性能测试。
(1)耐溶剂性
分别用沾有水、NMP、电解液和DMC的棉签分别擦拭正极水性涂碳铝箔涂料S1～S4和D1的涂层表面，直到露出铝箔基底所擦拭的次数。
(2)电阻
分别测试正极水性涂碳铝箔涂料S1～S4和D1的电阻。
得到的测试结果填入表1。
表1
Figure BDA0002336125990000092
Figure BDA0002336125990000101
从表1的测试结果可以看出，实施例1～4和对比例1的数据可以看出，通过本发明提供的正极水性涂碳铝箔涂料有较为优异的耐溶剂性，电阻较小，导电性能优异，水性树脂和水性交联剂的优选，选择易分散、导电性好和粒径小的碳材料，使水性树脂对碳材料的分散性良好，减少组分中水性树脂的添加量，改善涂料的电化学性能，而选择优异的水性交联剂和催化剂，降低涂层的交联温度，加快涂层的反应速度，减少反应时间，增加铝箔的稳定性，提高生产效率和降低能耗。
(3)SEM表征
分别利用扫描电子显微镜观察正极水性涂碳铝箔涂料S1、S3。
图1为实施例1的正极水性涂碳铝箔涂料S1的SEM图，图中显示正极水性涂碳铝箔涂料S1分散均匀，并无团聚。
图2为实施例3的正极水性涂碳铝箔涂料S3的SEM图，图中的片状结构为石墨片，碳材料分散均匀且稳定。
(4)外观
观察正极水性涂碳铝箔涂料S3。
图3为实施例3的正极水性涂碳铝箔涂料S3的外观，图中的涂碳铝箔外观均匀细腻且流平性良好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正极水性涂碳铝箔涂料，其特征在于，包括以下重量组分：
水性树脂5～15份、水性交联剂1～5份、催化剂0.1～0.5份、导电碳材料5～15份和水64.5～88.9份；
所述水性交联剂包括高度甲醚化三聚氰胺甲醛树脂和异氰酸酯中的一种或两种，所述催化剂包括对甲苯磺酸、十二烷基苯磺酸、氨基磺酸、二壬基萘二磺酸和二壬基萘磺酸中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的正极水性涂碳铝箔涂料，其特征在于，所述水性树脂包括水性丙烯酸树脂、水性改性丙烯酸树脂、水性苯乙烯-丙烯酸共聚树脂、水性环氧树脂、水性改性环氧树脂、水性环氧改性丙烯酸树脂、水性聚氨酯改性丙烯酸树脂和水性聚氨酯树脂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的正极水性涂碳铝箔涂料，其特征在于，所述正极水性涂碳铝箔涂料还包括助溶剂，所述助溶剂包括乙醇、正丁醇、叔丁醇、异丁醇、正丙醇、异丙醇、丙二醇甲醚、丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯、二丙二醇甲醚和二丙二醇甲醚醋酸酯中的一种或多种，所述助溶剂的重量组分为4～10份。
4.根据权利要求1所述的正极水性涂碳铝箔涂料，其特征在于，所述正极水性涂碳铝箔涂料还包括流平剂，所述流平剂包括丙烯酸酯类流平剂、聚醚改性有机硅氧烷类流平剂、有机氟碳类流平剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂、可降低表面张力的含有醚键化合物和可降低表面张力的含有双亲性基团化合物中的一种或多种，所述流平剂的重量组分为0.1～1份。
5.根据权利要求1所述的正极水性涂碳铝箔涂料，其特征在于，所述正极水性涂碳铝箔涂料还包括消泡剂，所述消泡剂包括矿物油类消泡剂、聚醚类消泡剂、有机硅氧烷类消泡剂和聚醚改性有机硅氧烷类消泡剂中的一种或多种，所述消泡剂的重量组分为0.1～0.5份。
6.根据权利要求1所述的正极水性涂碳铝箔涂料，其特征在于，所述正极水性涂碳铝箔涂料还包括增稠剂，所述增稠剂包括纤维素醚及其衍生物类增稠剂、聚丙烯酸酯类增稠剂、聚氨酯增稠剂和天然高分子及其衍生物中的一种或多种，所述增稠剂的重量组分为0.5～3份。
7.一种涂碳铝箔，其特征在于，包括铝箔以及覆盖于所述铝箔表面的涂层，所述涂层由权利要求1～6任意一项所述的正极水性涂碳铝箔涂料固化得到。
8.如权利要求1～6中任意一项所述的正极水性涂碳铝箔涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所需份数的水性树脂溶解于水或助溶剂中，搅拌均匀；
加入所需份数的水性交联剂、所述助溶剂、流平剂、催化剂、消泡剂和导电碳材料，搅拌均匀，冷凝水冷却条件下用高速分散机分散3～5h，再加入增稠剂和水，搅拌均匀，得到浆料；
将所述浆料采用凹版或微凹版涂覆在集流体铝箔上，在80～120℃的热风烘箱中烘烤15～100s，得到涂碳铝箔。
9.根据权利要求8所述的正极水性涂碳铝箔涂料的制备方法，其特征在于，所述浆料的粘度为30～300mPa·S，所述浆料的固含量为5～25％。
10.根据权利要求8所述的正极水性涂碳铝箔涂料的制备方法，其特征在于，所述涂碳铝箔的碳涂覆层厚度为0.5～2μm。
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