CN112290164B - 一种适用于生产超薄锂电池隔膜的高性能添加剂及其制备和应用 - Google Patents

一种适用于生产超薄锂电池隔膜的高性能添加剂及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种适用于生产超薄锂电池隔膜的高性能添加剂，其原料包括小分子含氟化合物2‑20wt％、大分子含氟聚合物5‑30wt％、氨基聚苯乙烯微球5‑30wt％、高分子聚烯烃20‑88wt％。通过将各原料混合后切粒制备成颗粒状成品，同时，将该添加剂与锂电池隔膜原料一起熔融制成铸片，然后纵向、横向拉伸定型制成超薄锂电池隔膜，具有良好的表面光洁度、柔韧性、耐热氧化性、耐高温性以及较高强度，厚度最薄仅为3μm，降低了锂电池内部空间的占用，为正负极活性物质提供了更多的容纳空间，显著提升锂电池的能量密度。

Description

一种适用于生产超薄锂电池隔膜的高性能添加剂及其制备和 应用
技术领域
本发明属于锂电池领域，特别是一种适用于生产超薄锂电池隔膜的高性能添加剂及其制备和应用。
背景技术
能量密度是制约当前锂离子电池发展的最大瓶颈。不管是手机、电动车还是汽车，人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级，产品的续航不再成为困扰。在能量密度方面，中、美、日等国制定的2020年目标都指向300Wh/kg这一数值；2030年的远期目标则要达到500Wh/kg，甚至700Wh/kg。为了达到这一目标，电池行业必须要有技术的重大突破。针对电池能量密度的瓶颈现状，目前主要有提高正极活性物质的占比、提高负极活性物质的占比、提高正极材料的比容量(克容量)、提高负极材料的比容量等解决方法。
锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。锂电池隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。
在开发高性能超薄隔膜的生产过程中，熔体从模口流出发生扭曲变形甚至会出现熔体破裂现象，隔膜纵向方向形成明暗相间的斑马条纹，厚度一致性差等缺陷。此外，聚烯烃熔融物经模口流出发生挤出胀大，模口处发生积料，经过长时间的累积，模口积料会逐渐碳化，引起膜片出现表面划痕缺陷。甚至碳化物落到膜面导致隔膜的击穿电压降低，有引发微短路的危险；而清理模口积碳必须停机进行处理，费事费力费料，且降低了生产稳定性。因此，开发一种锂电池隔膜用高性能添加剂，改善溶体的流变特性，提高隔膜的综合性能，加强产线的稳定性，迫在眉睫。
发明内容
面对以上锂电池能量密度瓶颈问题，针对现有技术的不足，本发明提供了可用于生产高性能超薄锂电池隔膜的添加剂。通过添加剂的加入，能够大大降低熔融物的表面能，稳定熔融物的挤出特性，加强熔融物塑化性能，消除高挤出生产过程中熔融物破裂现象，提高隔膜表面的光洁度，减少模口碳化物的形成，提高生产稳定性，制备出高性能超薄锂电池隔膜。具体通过以下技术实现。
一种适用于生产超薄锂电池隔膜的高性能添加剂，其原料包括小分子含氟化合物2-20wt％、大分子含氟聚合物5-30wt％、氨基聚苯乙烯微球(PA微球)5-30wt％、高分子聚烯烃20-88wt％；
所述小分子含氟化合物为(3,3,3-三氟丙基)三乙氧基硅烷、聚四氟乙烯蜡、全氟己基磺酰、全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯、2-烯丙六氟异丙醇、四氟乙烯、全氟醚、1-三氟-3-丁烯-2-酮中至少一种，且所述小分子含氟化合物的沸点为50-300℃；
所述大分子含氟聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、氟橡胶(FKM)、氟硅橡胶(FVMQ)、聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯/乙烯共聚物(ETFE)、无定型氟聚合物、全氟聚醚中至少一种，成型加工温度100-300℃。
在加工过程中，添加剂中的小分子量的含氟化合物能够迁移到熔融物表面，减小与挤出内壁的摩擦。大分子量的含氟聚合物由于分子量大，迁移性弱，与熔体充分混合，能够降低熔体内部的摩擦，减弱熔体的内应力；此外，大分子含氟聚合物具有较好的柔韧性、耐寒性、抗撕裂性耐穿刺性能，可综合提高隔膜及其组件的力学强度、低温循环性、保液性等特性。通过小分子含氟化合物和大分子含氟聚合物的结合使用，能有效提升熔融物润滑性，改善熔融物流变性，避免出现熔融物破裂现象，提高隔膜表面的光洁度，提升产线的稳定性。PA微球经过共混后均匀分散，提高隔膜的耐热性能，降低锂电池热失控引起短路、起火、爆炸的风险。
上述高性能添加剂的原料中，无定型氟聚合物可以选用杜邦公司生产的TeflonAF1600、Teflon AF2400，或日本旭硝公司生产的Cytop。含氟聚酰亚胺可以选用杜邦公司生产的Avimid N产品。
优选地，上述高性能添加剂的原料原料包括小分子含氟化合物15wt％、大分子含氟聚合物25wt％、氨基聚苯乙烯微球10wt％、高分子聚烯烃50wt％。
更优选地，所述氨基聚苯乙烯微球的粒径为0.1-100μm。
更优选地，所述高分子聚烯烃为线性低密度聚乙烯(LLDPE)粉料、低密度聚乙烯树脂(LDPE)粉料、高密度聚乙烯(HDPE)粉料、聚丙烯(PP)粉料。
本发明提供了上述高性能添加剂的制备方法，包括以下步骤：
S1、称取小分子含氟化合物、大分子含氟聚合物、氨基聚苯乙烯微球和高分子聚烯烃混合均匀，混合转速30-200rpm，混合3-15min，得到混合料；
S2、将步骤S1所得混合料投入双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出温度为150-260℃，转速为40-160rpm，即得颗粒状的高性能添加剂成品。
本发明还提供了将上述高性能添加剂作为原料，应用于超薄锂电池隔膜的制备方法中，超薄锂电池隔膜的制备方法具体包括以下步骤：
P1、称取高性能添加剂和锂电池隔膜原料混合均匀，转速为20-250rpm，混合2-40min得到混合料；
P2、从挤出机注油口加入30-70wt％白油，将步骤P1所得混合料投入挤出机中，温度为150-260℃，转速为30-300rpm，挤出量为120-600kg/h，熔体经模口挤出至铸片辊上，冷却定型制成铸片；
P3、将步骤P2所得铸片先在80-150℃下纵向拉伸，再在100-160℃下横向拉伸，经二氯甲烷洗涤分离出含油物；最后在120-160℃下热定型处理后经收卷工序制备成超薄锂电池隔膜。
优选地，所述超薄锂电池隔膜的制备方法中，步骤P1所述添加剂颗粒、锂电池隔膜原料的用量分别为5-20wt％和80-95wt％。
更优选地，所述超薄锂电池隔膜的制备方法中，步骤P1所述添加剂颗粒、锂电池隔膜原料的用量分别为15wt％和85wt％。
更优选地，步骤P1中，所述锂电池隔膜原料为高密度聚乙烯(HDPE)粉料，且熔融指数范围为1-20g/10min。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1、本发明通过添加低表面能聚合物，降低熔融物的表面能，提高熔融物挤出过程中润滑性，加强熔融物塑化和流变性能，避免生产过程中发生熔体破裂现象，提高隔膜表面的光洁度，减少碳化物的产生，提高生产稳定性；
2、添加剂中的大分子含氟聚合物具有较好的柔韧性、耐寒性、抗撕裂性、耐穿刺性能，可综合提高隔膜的力学强度，提升组件的低温循环性、保液性等特性；
3、添加机中的PA微球提高了隔膜的耐热性能，降低锂电池热失控引起短路、起火、爆炸的风险；
4、本发明制备的高性能添加剂制备的隔膜厚度可达3μm，与现有隔膜(9um)相比隔膜的厚度减少3倍，大大降低了锂电池内部空间的占用，为正负极活性物质提供了更多的容纳空间，显著提升锂电池的能量密度，综合提升产品的性能。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例和对比例所制备的高性能添加剂所用的原料中，小分子含氟化合物选用(3,3,3-三氟丙基)三乙氧基硅烷和/或聚四氟乙烯蜡，(3,3,3-三氟丙基)三乙氧基硅烷采购自南京西斯博有机硅有限公司，聚四氟乙烯蜡采购自南京天诗新材料科技有限公司；大分子含氟聚合物选用杜邦公司的产品Teflon AF1600；氨基聚苯乙烯微球(PA微球)采购自日本东丽公司的产品Toray Nylon Particulate；高分子聚烯烃材料选用法国道达尔公司生产的HDPE XT10B产品。高密度聚乙烯(锂电池隔膜原料)由大韩油化公司提供，其分子量大于150万。
以下实施例和对比例提供的高性能添加剂的制备方法为：
S1、称取小分子含氟化合物((3,3,3-三氟丙基)三乙氧基硅烷和/或聚四氟乙烯蜡)、大分子含氟聚合物(Teflon AF1600)、氨基聚苯乙烯微球(Toray Nylon Particulate)和高分子聚烯烃(HDPE XT10B)混合均匀，混合转速50rpm，混合5min，得到混合料；
S2、将步骤S1所得混合料投入双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出温度为200℃，转速为80rpm，即得颗粒状的高性能添加剂成品。
以下实施例和对比例的超薄电池隔膜的制备方法为：
P1、称取高性能添加剂颗粒和高密度聚乙烯(锂电池隔膜原料)混合均匀，转速为60rpm，混合5min得到混合料；
P2、从挤出机注油口加入50wt％白油，将步骤P1所得混合料投入挤出机中，温度为200℃，转速为100rpm，挤出量为200kg/h，熔体经模口挤出至铸片辊上，冷却定型制成铸片；
P3、将步骤P2所得铸片先在120℃下纵向拉伸，再在120℃下横向拉伸，经二氯甲烷洗涤分离出含油物；最后在140℃下热定型处理后经收卷工序制备成超薄锂电池隔膜。
实施例1-14、对比例1-5、空白对照
实施例1-14、对比例1-5所制备的高性能添加剂，其原料包括小分子含氟化合物、大分子含氟聚合物、氨基聚苯乙烯微球、高密度聚乙烯粉，具体用量见下表1所示。
实施例1-14、对比例1-5所制备的超薄锂电池隔膜，其原料包括高性能添加剂和高密度聚乙烯，具体用量见下表1所示。
此外，在制备超薄锂电池隔膜时设置空白对照，即不加高性能添加剂。
表1 高性能添加剂和超薄锂电池隔膜各原料配方
Figure BDA0002758418430000051
应用例：实施例1-14和对比例1-5制备的超薄锂电池隔膜的性能对比。
取1-14和对比例1-5制备的超薄锂电池隔膜，采用目视和电子扫描电镜的方法测定观察表面光洁度、采用马尔测厚仪测试隔膜厚度、采用万能力学测试仪测试MD拉伸强度、采用真空烘箱干燥机测试热缩率，同时设置未加入高性能添加剂的锂电池隔膜作为空白对照，测试结果如下。
表2 超薄锂电池隔膜的性能测试结果
实施例 表面光洁度 隔膜厚度/μm MD拉伸强度/MPa 120℃热收缩率/％
实施例1 光滑无条纹 3.1 370 2.9
实施例2 光滑无条纹 3.3 365 2.4
实施例3 光滑无条纹 3.6 300 5.6
实施例4 光滑无条纹 3.3 315 6.1
实施例5 光滑无条纹 3.5 335 5.3
实施例6 光滑无条纹 3.6 325 4.8
实施例7 光滑无条纹 3.1 320 4.2
实施例8 光滑无条纹 3.3 305 4.3
实施例9 光滑无条纹 3.4 315 3.9
实施例10 光滑无条纹 3.2 330 3.1
实施例11 光滑无条纹 3.1 320 3.2
实施例12 光滑无条纹 3.4 305 2.1
实施例13 光滑无条纹 3.6 335 5.2
实施例14 光滑无条纹 3.3 340 3.7
对比例1 有条纹 4.7 365 2.0
对比例2 光滑无条纹 5.9 285 7.6
对比例3 光滑无条纹 4.0 325 8.4
对比例4 光滑无条纹 3.8 290 2.4
对比例5 光滑无条纹 3.0 375 2.2
空白对照 有条纹 9.2 250 10.0
根据实施例1、2的超薄锂电池隔膜的性能检测结果可知，小分子含氟化合物选用(3,3,3-三氟丙基)三乙氧基硅烷或聚四氟乙烯蜡，对隔膜性能影响不大。
根据实施例1-12和对比例1-4的超薄锂电池隔膜的性能检测结果可知，只有采用本专利限定用量范围内的各原料，才能获得性能最佳的超薄锂电池隔膜。
根据实施例1、5-7和对比例1的超薄锂电池隔膜的性能检测结果可知，当增加小分子含氟化合物用量，减少大分子含氟聚合物用量时，隔膜的外观从有条纹变得光滑无条纹，但是隔膜的MD拉伸强度下降，热收缩率上升(即热稳定性下降)。
根据实施例1、8-10和对比例2的超薄锂电池隔膜的性能检测结果可知，当固定小分子含氟化合物用量不变，提高大分子含氟聚合物用量时，隔膜的MD拉伸强度和热稳定性有上升趋势。
根据实施例1、11、12和对比例3、4的超薄锂电池隔膜的性能检测结果可知，当不使用氨基聚苯乙烯微球时，隔膜的热稳定性较差，增加氨基聚苯乙烯微球的用量，能一定程度改善隔膜的热稳定性，但是氨基聚苯乙烯微球用量过高会影响隔膜的MD拉伸强度。
根据实施例1、13、14，对比例5和空白对照的超薄锂电池隔膜的性能检测结果可知，当不加入高性能添加剂时，隔膜的外观、热稳定性、MD拉伸强度均较差，当添加剂用量过大时，对隔膜的性能提升并不明显。

Claims (9)

1.一种适用于生产超薄锂电池隔膜的高性能添加剂，其特征在于，其原料包括小分子含氟化合物2-20wt％、大分子含氟聚合物5-30wt％、氨基聚苯乙烯微球5-30wt％、高分子聚烯烃20-88wt％；
所述小分子含氟化合物为(3,3,3-三氟丙基)三乙氧基硅烷、聚四氟乙烯蜡、全氟己基磺酰、全氟烷基乙基甲基丙烯酸酯、2-烯丙六氟异丙醇、四氟乙烯、全氟醚、1-三氟-3-丁烯-2-酮中至少一种，且所述小分子含氟化合物的沸点为50-300℃；
所述大分子含氟聚合物包括聚四氟乙烯、氟橡胶、氟硅橡胶、聚全氟乙丙烯、四氟乙烯/乙烯共聚物、无定型氟聚合物、全氟聚醚中至少一种，成型加工温度100-300℃。
2.根据权利要求1所述的高性能添加剂，其特征在于，其原料包括小分子含氟化合物15wt％、大分子含氟聚合物25wt％、氨基聚苯乙烯微球10wt％、高分子聚烯烃50wt％。
3.根据权利要求1或2所述的高性能添加剂，其特征在于，所述氨基聚苯乙烯微球的粒径为0.1-100μm。
4.根据权利要求1或2所述的高性能添加剂，其特征在于，所述高分子聚烯烃为线性低密度聚乙烯粉料、低密度聚乙烯树脂粉料、高密度聚乙烯粉料、聚丙烯粉料。
5.一种如权利要求1或2所述的高性能添加剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、称取小分子含氟化合物、大分子含氟聚合物、氨基聚苯乙烯微球和高分子聚烯烃混合均匀，混合转速30-200rpm，混合3-15min，得到混合料；
S2、将步骤S1所得混合料投入双螺杆挤出机中挤出造粒，挤出温度为150-260℃，转速为40-160rpm，即得颗粒状的高性能添加剂成品。
6.一种如权利要求1所述的高性能添加剂的应用，其特征在于，应用于超薄锂电池隔膜的制备方法，具体包括以下步骤：
P1、称取高性能添加剂和锂电池隔膜原料混合均匀，转速为20-250rpm，混合2-40min得到混合料；
P2、从挤出机注油口加入占所述添加剂、锂电池隔膜原料总重量30-70wt％的白油，将步骤P1所得混合料投入挤出机中，温度为150-260℃，转速为30-300rpm，挤出量为120-600kg/h，熔体经模口挤出至铸片辊上，冷却定型制成铸片；
P3、将步骤P2所得铸片先在80-150℃下纵向拉伸，再在100-160℃下横向拉伸，经二氯甲烷洗涤分离出含油物；最后在120-160℃下热定型处理后经收卷工序制备成超薄锂电池隔膜。
7.根据权利要求6所述的高性能添加剂的应用，其特征在于，所述超薄锂电池隔膜的制备方法中，步骤P1所述添加剂颗粒、锂电池隔膜原料的用量分别为5-20wt％和80-95wt％。
8.根据权利要求7所述的高性能添加剂的应用，其特征在于，所述超薄锂电池隔膜的制备方法中，步骤P1所述添加剂颗粒、锂电池隔膜原料的用量分别为15wt％和85wt％。
9.根据权利要求6-8任一项所述的高性能添加剂的应用，其特征在于，步骤P1中，所述锂电池隔膜原料为高密度聚乙烯粉料，且熔融指数范围为1-20g/10min。
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