CN112751135A - 一种芳纶隔膜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种芳纶隔膜，其特征在于，将芳纶混合无机有机聚合物的涂层涂布在基膜的至少一个表面上，再对涂布膜进行复卷，分切，收卷得到芳纶隔膜。本申请的特点在于：保证隔膜在高温下依然可以保持良好的耐高温性和热稳定性；进而可以降低隔膜的高温热收缩率及提供优良的安全性，有利于避免隔膜因温度过高而导致电池内部短路或者爆炸等危险事故的发生；另外还可以提升隔膜的电解液浸润性，通过促进锂离子的传递进而提高锂离子电池的倍率性能。本发明可用在锂离子电池制造上，提高锂离子电池的倍率性能、使用寿命、安全性、循环使用特性以及化学稳定性等。

Description

一种芳纶隔膜

技术领域

本发明涉及隔膜生产技术领域，具体的说，是一种芳纶隔膜。

背景技术

锂离子电池由于工作电压和能量密度高、自放电小、循环寿命长、容量损失少、无记忆效应和无污染等优点，其被普遍应用于电子设备和电动汽车行业。锂离子电池由四大关键组成成分构成，包括正极、负极、隔离膜和电解质材料。其中，隔离膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止正负极直接接触而短路，同时具有能使电解质离子通过的功能。其性能决定了电池的界面结构、内阻等，并直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔离膜对提高电池综合性能具有重要作用。

目前，商业化的隔膜具有耐热性差，熔化温度低，高温下容易收缩，进而导致正负极直接接触刺破隔膜导致电池内部短路；另外动力电池体积容量较大，散热性较弱，高温时电解液体系容易分解并散热，导致电池内部短路甚至爆炸；除此之外，在过充时，电池负极区域易产生锂枝晶刺破隔膜使电池短路引发热失控，进而影响锂离子电池的安全性等问题。因此对隔膜进行改性提高其性能是提高电池的循环性能、使用寿命和化学性能等方面的前提条件。其中耐高温、高容量的锂电池隔膜和电极材料是未来动力电池发展的主要趋势。间位芳纶和对位芳纶不仅具有超高强度、高模量、耐高温等优点，还具有良好的尺寸效应、绝缘性能、机械性能、防火性能、耐腐蚀性和化学稳定性等。利用芳纶的优异的耐高温性和机械性能，应用于耐高温动力电池隔膜上具有很大的发展的前景。

对于上述缺陷，中国专利CN201610333384.8公开了锂离子电池～水合氧化铝涂覆隔膜，通过在锂离子电池隔膜表面涂覆一水合氧化铝浆料。将纳米级的一水合氧化铝、表面活性剂、增稠剂、粘结剂、分散剂等溶剂混合在一起搅拌，本发明除了拥有涂覆隔膜的高安全性外，还提高了锂离子电池隔膜的耐热性、穿刺强度、保液性等，显著改善锂离子电池的电化学性能。另外中国专利CN200710075557.1公开了一种锂离子二次电池隔膜，本发明制备的隔膜抗边缘的毛刺刺破能力强、耐高温、有效降低了在较高环境下由于隔膜收缩引起正负极边缘直接接触造成的安全事故。以及专利CN201510364241.9公开的一种耐热性锂离子电池隔膜，本发明制备的隔膜耐热性好、成本低以及加工工序简单。本发明的优势为：①芳纶隔膜具有良好的耐高温性和热稳定性；进而可以降低隔膜的高温热收缩率以及提供优良的安全性，有利于避免隔膜因温度过高而导致电池内部短路或者爆炸等危险事故的发生；②芳纶隔膜可以提升隔膜的电解液浸润性，进而提高锂离子电池的离子电导率，紧接着影响锂离子电池的容量和倍率性能。为此有必要研发一种耐高温、高性能的芳纶隔膜，进而提高锂离子电池的综合性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种芳纶隔膜。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种芳纶隔膜，其特征在于，将芳纶混合无机有机聚合物的涂层涂布在基膜的至少一个表面上，再对涂布膜进行复卷，分切，收卷得到芳纶隔膜。

所述的芳纶隔膜为间位芳纶隔膜和对位芳纶隔膜中的一种或者几种。

芳纶混合无机有机聚合物的涂层，单面或双面涂布在基膜表面。

所述涂层的厚度为0.5～5微米。

所述芳纶粒径为0.1～10纳米。

所述隔膜总厚度为5～20微米。

所述的芳纶混合涂层具有一定的粘结性，并且可以很好的涂布在基膜表面；采用涂布方法有：浸涂或喷涂或凹版涂布或凹版印刷。

将所述的芳纶隔膜放入恒温烘箱中进行退火处理；其中退火温度为100～160℃，退火时间为30～800分钟。

所述的浆料的制备过程需搅拌均匀，搅拌速度为300～1200rpm，搅拌时间是0.02～5h。

所述的浆料芳纶重量比为0.1～50％。

所述的涂层浆料粒径为0.1～10纳米。

所述的基膜为PE、PP、PP/PE/PP中的一种或者几种。

所述的隔膜的涂布温度为0～120℃，涂布后烘干温度为0～80℃；以及其透气值为200～800s/100ml。

所述的隔膜的复卷拉伸速差为0～100m/min，收放卷张力为0.05～300N，复卷温度为50～145℃，复卷速度为1～100m/min，接触压力为0～100N。

所述的隔膜的分切放卷张力为5～100N，收卷张力为0～10N，分切速度为1～100m/min，接触压力为0～100N。

本申请的详细制备过程如下：

首先是基膜涂层浆料的制备：芳纶，表面活性剂，分散剂，粘结剂，在搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02～5h；得到的涂层浆料粒径为0.1～10nm，备用。表面活性剂，分散剂，粘结剂根据实际需要进行调整，控制芳纶在基膜涂层浆料中的质量分数为1～50％；

芳纶隔膜的涂布制备工艺流程：对制备好的涂层浆料采取喷涂的方式进行单面涂布，涂布温度为0～120℃，涂布后的烘干温度为0～80℃；对涂布膜进行复卷，温度为50～145℃，复卷拉伸速差为0～100m/min，收放卷张力为0.05～300N，接着进行分切，分切分切放卷张力为5～100N，收卷张力为0～10N，分切速度为1～100m/min，接触压力为0～100N。并对得到的复卷涂布膜和分切涂布膜进行一系列的性能测试。

本申请的特点在于：①保证隔膜在高温下依然可以保持良好的耐高温性和热稳定性；进而可以降低隔膜的高温热收缩率及提供优良的安全性，有利于避免隔膜因温度过高而导致电池内部短路或者爆炸等危险事故的发生；②另外还可以提升隔膜的电解液浸润性，通过促进锂离子的传递进而提高锂离子电池的倍率性能。本发明可用在锂离子电池制造上，提高锂离子电池的倍率性能、使用寿命、安全性、循环使用特性以及化学稳定性等。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明的芳纶隔膜可用在锂离子电池制造上，通过对基膜进行改性，制备得到的芳纶隔膜在高温下具有更好的耐热性和阻燃性，同时也借助分散剂、粘结剂和表面活性剂的作用，进而影响锂离子电池使用安全性、循环使用特性、化学稳定性等。

附图说明

图1显示为本发明的芳纶隔膜的结构示意图；

图2显示为本发明的对位芳纶隔膜的SEM示意图；

附图中的标记为：

1芳纶混合无机有机聚合物的涂层，2为基膜。

具体实施方式

以下提供本发明一种芳纶隔膜的具体实施方式。

实施例1

参阅图1～2和表1～4，需要说明的是通过以下示意图方式说明本发明的基本构想。

如图1所示，本发明提供一种芳纶隔膜，为芳纶混合无机有机聚合物的涂层1，为基膜2，一般为PE或PP或PP/PE/PP。

如图2所示，本发明提供的对位芳纶隔膜进行的SEM表面形貌测试，可以观察表面的孔径大小和分布的均匀程度。

如表1所示，本发明提供的间位芳纶隔膜在不同复卷温度条件下的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较，结果统计可知，在复卷温度为50℃的间位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于8％和145℃下的间位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于10％，以及断裂温度小于470℃，可见此时的间位芳纶隔膜的热稳定性较差。而当复卷温度为100℃时，间位芳纶隔膜在150℃下的MD和TD的热收缩率为小于或等于3％，说明此时的间位芳纶隔膜具有更好的耐热性和热稳定性；以及通过断裂温度的测试，知道其断裂温度在480～1000℃范围内，则直接的说明了此时的间位芳纶隔膜在耐热性方面具有更大的优势和潜力。综上可知当复卷温度在50～145℃之间的间位芳纶隔膜具有更好的耐热性能；而≦50℃和≧145℃的间位芳纶隔膜的耐热性能较差。

如表2所示，本发明提供的间位芳纶隔膜在不同分切放卷张力条件下的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较，结果统计可知，在分切放卷张力为5N的间位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于8％和分切放卷张力为100N的间位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于10％，以及断裂温度小于470℃，可见此时的间位芳纶隔膜的热稳定性较差。而当分切放卷张力为20N时，间位芳纶隔膜在150℃下的MD和TD的热收缩率为小于或等于4％，说明此时的间位芳纶隔膜具有更好的耐热性和热稳定性；以及通过断裂温度的测试，知道其断裂温度在480～1000℃范围内，则直接的说明了此时的芳纶隔膜在耐热性方面具有更大的优势和潜力。综上可知当分切放卷张力在5～100N之间的间位芳纶隔膜具有更好的耐热性能；而≦5N和≧100N的间位芳纶隔膜的耐热性能较差。

如表3所示，本发明提供的对位芳纶隔膜在不同复卷温度条件下的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较，结果统计可知，在复卷温度为50℃的对位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于8％和145℃下的对位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于10％，以及断裂温度小于470℃，可见此时的对位芳纶隔膜的热稳定性较差。而当复卷温度为100℃时，对位芳纶隔膜在150℃下的MD和TD的热收缩率为小于或等于3％，说明此时的对位芳纶隔膜具有更好的耐热性和热稳定性；以及通过断裂温度的测试，知道其断裂温度在480～1000℃范围内，则直接的说明了此时的对位芳纶隔膜在耐热性方面具有更大的优势和潜力。综上可知当复卷温度在50～145℃之间的对位芳纶隔膜具有更好的耐热性能；而≦50℃和≧145℃的对位芳纶隔膜的耐热性能较差。

如表4所示，本发明提供的对位芳纶隔膜在不同分切放卷张力条件下的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较，结果统计可知，在分切放卷张力为5N的对位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于8％和分切放卷张力为100N的对位芳纶隔膜的MD和TD的热收缩率为大于或等于10％，以及断裂温度小于470℃，可见此时的对位芳纶隔膜的热稳定性较差。而当分切放卷张力为20N时，对位芳纶隔膜在150℃下的MD和TD的热收缩率为小于或等于4％，说明此时的对位芳纶隔膜具有更好的耐热性和热稳定性；以及通过断裂温度的测试，知道其断裂温度在480～1000℃范围内，则直接的说明了此时的对位芳纶隔膜在耐热性方面具有更大的优势和潜力。综上可知当分切放卷张力在5～100N之间的对位芳纶隔膜具有更好的耐热性能；而≦5N和≧100N的对位芳纶隔膜的耐热性能较差。

本申请的制备过程如下：

首先是基膜涂层浆料的制备：芳纶混合表面活性剂、分散剂、粘结剂，采取适当的加入顺序以及一定的芳纶质量比0.1％～50％，在搅拌机下以300～1200rpm的速度进行搅拌，搅拌时间是0.02～5h。得到的涂层浆料粒径为0.1～10nm。备用。

接着是芳纶隔膜的涂布制备工艺流程：对制备好的涂层浆料采取喷涂的方式进行单面涂布，涂布温度为0～120℃，涂布后的烘干温度为0～80℃。对涂布膜进行复卷，温度为50～145℃，复卷拉伸速差为0～100，收放卷张力为0.05～300N，接着进行分切，分切分切放卷张力为5～100N，收卷张力为0～10N，分切速度为1～100m/min，接触压力为0～100N。并对得到的复卷涂布膜和分切涂布膜进行一系列的性能测试。

实施例1

将芳纶质量比为0.1％的涂层浆料混合分散剂、粘结剂和表面活性剂，在搅拌机300rpm的速度下进行均匀搅拌0.02h，得到粒径5nm的涂层浆料，在喷涂机上以一定的速度单面涂布在PE基膜上，此刻涂布温度为5℃；得到的涂布膜进行50℃的烘干，并得到成品涂布膜。再以温度为50℃、拉伸速差为0％和收放卷张力分别为0.05N的条件进行复卷，在分切收卷张力为5N，收卷张力为0.1N的条件下进行分切，得到的本发明的芳纶隔膜成品在150℃的MD热收缩率大于或等于8％以及TD热收缩率大于或等于8％、耐热性和弹性拉伸能力较差。

实施例2

将芳纶质量比为0.1％的涂层浆料混合分散剂、粘结剂和表面活性剂，在搅拌机300rpm的速度下进行均匀搅拌0.02h，得到粒径5nm的涂层浆料，在喷涂机上以一定的速度单面涂布在PE基膜上，此刻涂布温度为5℃；得到的涂布膜进行50℃的烘干，并得到成品涂布膜。再以温度为100℃、拉伸速差为0％和收放卷张力分别为0.05N的条件进行复卷，在分切收卷张力为5N，收卷张力为0.05N的条件下进行分切，得到的本发明的芳纶隔膜成品在150℃的MD热收缩率小于或等于3％以及TD热收缩率小于或等于3％、耐热性和弹性拉伸能力较好。

实施例3

将芳纶质量比为0.1％的涂层浆料混合分散剂、粘结剂和表面活性剂，在搅拌机300rpm的速度下进行均匀搅拌0.02h，得到粒径5nm的涂层浆料，在喷涂机上以一定的速度单面涂布在PE基膜上，此刻涂布温度为5℃；得到的涂布膜进行50℃的烘干，并得到成品涂布膜。再以温度为145℃、拉伸速差为0％和收放卷张力分别为0.05N的条件进行复卷，在分切收卷张力为5N，收卷张力为0.05N的条件下进行分切，得到的本发明的芳纶隔膜成品在150℃的MD热收缩率大于或等于8％以及TD热收缩率大于或等于8％、耐热性和弹性拉伸能力较差。

实施例4

将芳纶质量比为0.1％的涂层浆料混合分散剂、粘结剂和表面活性剂，在搅拌机300rpm的速度下进行均匀搅拌0.02h，得到粒径5nm的涂层浆料，在喷涂机上以一定的速度单面涂布在PE基膜上，此刻涂布温度为5℃；得到的涂布膜进行50℃的烘干，并得到成品涂布膜。再以温度为145℃、拉伸速差为0％和收放卷张力分别为0.05N的条件进行复卷，在分切收卷张力为20N，收卷张力为0.05N的条件下进行分切，得到的本发明的芳纶隔膜成品在150℃的MD热收缩率小于或等于4％以及TD热收缩率小于或等于4％、耐热性和弹性拉伸能力较好。

实施例5

将芳纶质量比为0.1％的涂层浆料混合分散剂、粘结剂和表面活性剂，在搅拌机300rpm的速度下进行均匀搅拌0.02h，得到粒径5nm的涂层浆料，在喷涂机上以一定的速度单面涂布在PE基膜上，此刻涂布温度为5℃；得到的涂布膜进行50℃的烘干，并得到成品涂布膜。再以温度为145℃、拉伸速差为0％和收放卷张力分别为0.05N的条件进行复卷，在分切收卷张力为100N，收卷张力为0.05N的条件下进行分切，得到的本发明的芳纶隔膜成品在150℃的MD热收缩率大于或等于10％以及TD热收缩率大于或等于10％、耐热性和弹性拉伸能力较差。

综上所述，本发明提供一种高耐热性的芳纶隔膜，在复卷温度为100℃下和分切放卷张力为20N的条件下可得到的耐热性能更好的芳纶隔膜，其中其在150℃下的MD和TD热收缩率都小于或等于3％，断裂温度为480～1000℃，证实其耐热性能更好且耐高温有利于提高防止电池内部短路发生的安全率。利用芳纶混合无机有机聚合物制备的涂层浆料，在基膜上进行改性，与商业化的隔膜相比，本发明的芳纶隔膜具有更好的耐热性和更高的热稳定性，以及更好的弹性拉伸能力、电解液浸润性，以及大量应用于锂离子电池和电动汽车行业，有助于提高锂离子电池的倍率性能、使用安全性和空间稳定性、化学稳定性，其具有很大的发展前景。

表1为不同复卷温度条件下的间位芳纶隔膜的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较。

表2为不同分切放卷张力条件下的间位芳纶隔膜的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较。

表3为不同复卷温度条件下的对位芳纶隔膜的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较。

表4为分切放卷张力条件下的对位芳纶隔膜的MD和TD热收缩性能以及断裂温度的比较。

表1

表2

表3

表4

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种芳纶隔膜，其特征在于，将芳纶混合无机有机聚合物的涂层涂布在基膜的至少一个表面上，再对涂布膜进行复卷，分切，收卷得到芳纶隔膜。

2.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，所述的芳纶隔膜为间位芳纶隔膜和对位芳纶隔膜中的一种或者几种。

3.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，芳纶混合无机有机聚合物的涂层，单面或双面涂布在基膜表面。

4.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，所述涂层的厚度为0.5～5微米。

5.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，所述的涂布方法有：浸涂或喷涂或凹版涂布或凹版印刷。

6.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，将所述的芳纶隔膜放入恒温烘箱中进行退火处理；其中退火温度为100～160℃，退火时间为30～800分钟；

所述的浆料的制备过程需搅拌均匀，搅拌速度为300～1200rpm，搅拌时间是0.02～5h。

7.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，所述的浆料芳纶重量比为0.1～50％。

8.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，所述的隔膜的涂布温度为0～120℃，涂布后烘干温度为0～80℃；以及其透气值为200～800s/100ml。

9.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，所述的隔膜的复卷拉伸速差为0～100m/min，收放卷张力为0.05～300N，复卷温度为50～145℃，复卷速度为1～100m/min，接触压力为0～100N。

10.如权利要求1所述的一种芳纶隔膜，其特征在于，所述的隔膜的分切放卷张力为5～100N，收卷张力为0～10N，分切速度为1～100m/min，接触压力为0～100N。

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