CN112803119A - 一种纺丝隔膜与电极的复合方法及其处理后的一体化结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种纺丝隔膜与电极的复合方法及其处理后的一体化结构，所述纺丝隔膜与电极的复合方法包括以下步骤：步骤一：用NMP溶解PVDF，真空搅拌机中搅拌至均一透明状，制成PVDF溶液；步骤二：将经步骤一混合后的溶液刷或喷涂在负极片表面；步骤三：再将纺丝隔膜贴在负极片的表面；步骤四：在一定压力下，通过温热辊压法，使纺丝隔膜与负极片复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构模式。本发明提供一种将隔膜粘贴在负极，使纺丝隔膜与电极复合，改善锂离子电池制造工艺，使电池隔膜在卷装和电池组装过程中达到要求的纺丝隔膜与电极的复合方法及其处理后的一体化结构。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种纺丝隔膜与电极的复合方法及其处理后的一体化结构。
背景技术
现有技术和缺陷：
锂离子电池主要是由正极、负极、隔膜、电解液和外壳组成，隔膜置于电池正负极之间，防止正负电极之间产生物理接触发生短路，同时允许锂离子在电池正负极之间迁移，达到充放电的目的。电池性能的优异程度取决于隔膜的性能，因此，研制化学稳定性好、机械强度高、孔隙率高和厚度均匀性好的隔膜材料，对于电池性能的提高具有重要意义。
锂离子电池隔膜材料根据不同的物理、化学特性，可以分为：织造膜、无纺布、微孔膜、复合膜、隔膜纸、碾压膜等几类。由于聚烯烃材料具有优异的力学性能、化学稳定性和相对廉价的特点，目前商品化锂电池隔膜材料主要采用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等聚烯烃微孔膜。但是聚烯烃隔膜本身热稳定性较差、孔隙率低，会导致电池在充放电过程中出现高电池阻抗、低能量密度以及低倍率性能。同时聚烯烃隔膜熔点低，当电池内部温度升高时，隔膜容易受热收缩、熔化，丧失对正负极极片的隔离作用，从而导致电池短路、起火、爆炸等安全事故的发生。商业用锂离子电池聚烯烃隔膜存在着与电解液亲和性差的缺陷，使得电解液不能很好地与隔膜润湿和渗透，电解液易发生因润湿不足产生干区。
如何提高隔膜的孔隙率、热稳定性、吸液率，是目前科学界和产业界一直关注的课题。CN102437304A公开了一种隔膜及利用隔膜制备复合电极对的方法，在隔膜的一面涂布包括正极活性材料、导电剂和粘合剂的正极混合物，另一面涂布包括负极活性材料、导电剂和粘合剂的负极混合物，最后通过发泡剂发泡后制得，从而避免电池正负极直接接触。CN108305973A公开了一种具有涂层的复合隔膜及制备方法和应用，它包括基膜和涂覆在基膜至少一个表面的耐高温涂层，促进电池电解液的吸收，使隔膜更好粘贴在电极表面。CN110323075A公开了一种隔膜/电极复合结构及其制备方法，在隔膜的一个表面制备陶瓷涂层，然后再在隔膜的另一个表面或陶瓷涂层的一个表面制备电极材料层，得到隔膜/电极复合结构。CN111370627A公开了一种金属锂电极与无机固体电解质陶瓷隔膜直接复合方法，使锂液在无机固体电解质陶瓷隔膜表面浸润铺展。但是，现有隔膜与电极复合受到材料性能的制约，陶瓷隔膜易脱落，高温易分解。
CN103682247B提出了一种将聚酰胺酸喷涂在极片上，再用机械辊压和热处理形成聚酰亚胺纳米纤维膜的方法。这种方法通过辊压+热处理产生相变，实现极片和隔膜的紧密贴合。专利CN110034337A通过热压复合，将隔膜和正负极极片紧紧压在一起，增加极片的强度，防止拉伸时断带。但是以上两个专利，都是简单的对隔膜和极片进行压合。隔膜和极片之间结合强度低，易剥落。
聚偏氟乙烯(PVDF)具有热稳定性好、电化学稳定性优良和成膜性好等特点，成为了锂离子电池隔膜的主要研究对象。目前，研究人员采用静电纺丝法制备锂离子电池隔膜，提高锂离子电池隔膜的电化学性能。纺丝纳米纤维隔膜直径小、比表面积大、离子导电率高、孔隙率高、孔径小且均匀。因此，制备出的纺丝隔膜具有较高的吸液率、锂离子导电率，从而达到优异的电化学性能。现采用静电纺丝技术制备的锂离子电池隔膜的主要聚合物基体有聚丙烯腈、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺等。静电纺丝技术是在强电场的作用下，高分子溶液或熔融状态的溶液分叉、劈丝，形成无数均匀连续的纳米纤维丝，纳米纤维丝相互堆叠形成纤维薄膜。但静电纺丝纳米纤维膜的抗拉强度较差，在电池制作过程中难于进行高速绕卷。
解决上述技术问题的难度和意义：
因此，基于现有这些问题，提供一种将隔膜粘贴在负极表面，使纺丝隔膜与电极复合，简化锂离子电池制造工艺的技术方法。本发明将传统的负极-隔膜-正极卷绕工艺，简化为覆膜负极-正极的卷绕工艺。不仅提高了负极片的强度，也省去了卷绕设备中对隔膜张力调整、放卷、对其等设施，大大降低了造价和成本，使电池隔膜在卷装和电池组装过程中的控制点减少，可靠性和稳定性有所提高。本发明提出的纺丝隔膜与电极的复合方法及其处理后的一体化结构具有重要的现实意义。
发明内容
本发明目的在于为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种将隔膜粘贴在负极，使纺丝隔膜与电极复合，改善锂离子电池制造工艺，使电池隔膜在卷装和电池组装过程中达到要求的纺丝隔膜与电极的复合方法及其处理后的一体化结构。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种纺丝隔膜与电极的复合方法，所述纺丝隔膜与电极的复合方法包括以下步骤：
步骤一：用NMP(N～甲基吡咯烷酮)溶解PVDF(聚偏氟乙烯)，真空搅拌机中搅拌至均一透明状，制成PVDF溶液；
步骤二：将经步骤一混合后的溶液刷或喷涂在负极片表面；
步骤三：再将纺丝隔膜贴在负极片的表面(双面)；
步骤四：在一定压力下，通过温热辊压法，使纺丝隔膜与负极片复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构模式。
本发明中，实际是温热辊压的压力和温度，实现PVDF的软融，在随后的冷却过程，利用PVDF的粘着效果和压力的效应，实现纺丝隔膜与电极的高强度结合。这种效应制成的结构，强度会远远高于对比文献中提到的仅仅靠热压实现的复合。之所以选择PVDF，主要是这种粘结剂化学性能稳定，粘结可靠。且本专利的PVDF溶液在起到粘结剂作用的同时具有表面覆盖作用。
本发明还可以采用以下技术方案：
在上述的纺丝隔膜与电极的复合方法中，进一步的，所述步骤一中的PVDF溶液中PVDF浓度为0.1～20wt％。
在上述的纺丝隔膜与电极的复合方法中，进一步的，所述步骤二中溶液刷或喷涂在整张负极片表面，在负极表面的涂布量为：1～100g/m2，涂布厚度为1～5μm。
在上述的纺丝隔膜与电极的复合方法中，进一步的，所述步骤四中，辊压温度120～200℃，辊压时辊面的线速度为0.1～10m/min。
在上述的纺丝隔膜与电极的复合方法中，进一步的，所述步骤四中，按辊的宽度L施加压力，单位宽度设定压力为0.1～100Kg/m。
一种一体化结构，所述一体化结构经过上述任一项所述的纺丝隔膜与电极的复合方法处理后得到。
综上所述，本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明提供了一种锂离子电池隔膜与电极复合技术，通过形成隔膜～电极片～隔膜的结构模式，克服了原有技术中，静电纺丝隔膜强度低，难于卷绕的特点，同时，该技术将隔膜与负极结合，提高了组装的可靠性，将原来需要正极～隔膜～负极的结构，减少为复合负极极片～正极的结构，大大简化了设备的操作难度，提高了电池组装体系的可靠性。由于锂离子电池体系中，负极要盖住正极，因此本发明采用包覆负极，可以完全实现正负极的隔离。
具体实施方式
实施例1
一种纺丝隔膜与电极的复合方法和工艺，步骤如下：
(1)用NMP溶解PVDF，获得PVDF为0.1wt％的混合溶液，于真空搅拌机(转速15r/min，30℃均匀搅拌1.5h)中搅拌至均一透明状溶液，使二者进行充分混合。
(2)将混合后的溶液通过涂布机均匀刷在负极表面，涂布量为1g/m2，涂布厚度1μm。
(3)将制备的纺丝隔膜贴在负极片的表面(双面)。
(4)在0.1Kg/m压力下，通过120℃辊面温度的辊压机。进行辊压。辊外径线速度0.1m/min，使隔膜与电极复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构模式。
实施例2
一种纺丝隔膜与电极的复合方法和工艺，步骤如下：
(1)用NMP溶解PVDF，获得PVDF为20wt％的混合溶液，于真空搅拌机(转速15r/min，30℃均匀搅拌2.5h)中搅拌至均一透明状，使二者进行充分混合。
(2)将混合后的溶液通过涂布机均匀刷在负极表面，涂布量为100g/m2，涂布厚度5μm。
(3)将制备的纺丝隔膜贴在负极片的表面(双面)。
(4)在100Kg/m压力下，通过温热辊压法(200℃，辊外径线速度10m/min)，使隔膜与电极复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构。
对经制备的复合隔膜电极用于锂离子电池后续制备。
实施例3
一种纺丝隔膜与电极的复合方法和工艺，步骤如下：
(1)用NMP溶解PVDF，获得PVDF为10wt％的混合溶液，于真空搅拌机(转速15r/min，30℃均匀搅拌2h)中搅拌至均一透明状，使二者进行充分混合。
(2)将混合后的溶液通过涂布机均匀刷在负极表面，涂布量为30g/m2，涂布厚度3μm。
(3)将制备的纺丝隔膜贴在负极片的表面(双面)。
(4)在20Kg/m压力下，通过温热辊压法(140℃，辊子线速度4m/min)，使隔膜与电极复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构。
实施例4
一种纺丝隔膜与电极的复合方法和工艺的对比效果，步骤如下：
方法A：
(1)用NMP溶解PVDF，获得PVDF为12wt％的混合溶液，于真空搅拌机(转速15r/min，30℃均匀搅拌2h)中搅拌至均一透明状，使二者进行充分混合。
(2)将混合后的溶液通过涂布机均匀刷在负极表面，涂布量为10g/m2，涂布厚度8μm。
(3)将制备的纺丝隔膜贴在负极片的表面(双面)。
(4)在20Kg/m压力下，通过温热辊压法(150℃，辊子线速度6m/min)，使隔膜与电极复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构。
方法B：
(1)将制备的纺丝隔膜贴在负极片的表面(双面)。
(2)在20Kg/m压力下，通过温热辊压法(150℃，辊子线速度6m/min)，使隔膜与电极复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构。
用工艺A和B分别制造三元体系锂离子电池，型号ICR18650-3.6V-2200mAh。对电池体系的测试发现，工艺A制备的电池样品，循环2000次容量保持率在81％。而工艺B制备的电池样品，循环750次容量即降低到80％左右。可见，包含本发明全部技术特点的工艺A具有显著的先进性。
综上所述，本发明提供一种将隔膜粘贴在负极，使纺丝隔膜与电极复合，改善锂离子电池制造工艺，使电池隔膜在卷装和电池组装过程中达到要求的纺丝隔膜与电极的复合方法及其处理后的一体化结构。
以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种纺丝隔膜与电极的复合方法，其特征在于：所述纺丝隔膜与电极的复合方法包括以下步骤：
步骤一：用NMP溶解PVDF，真空搅拌机中搅拌至均一透明状，制成PVDF溶液；
步骤二：将经步骤一混合后的溶液刷或喷涂在负极片表面；
步骤三：再将纺丝隔膜贴在负极片的表面；
步骤四：在一定压力下，通过温热辊压法，使纺丝隔膜与负极片复合成隔膜～电极片～隔膜的一体化结构模式。
2.根据权利要求1所述的纺丝隔膜与电极的复合方法，其特征在于：所述步骤一中的PVDF溶液中PVDF浓度为0.1～20wt％。
3.根据权利要求1所述的纺丝隔膜与电极的复合方法，其特征在于：所述步骤二中溶液刷或喷涂在整张负极片表面，在负极表面的涂布量为：1～100g/m2，涂布厚度为1～5μm。
4.根据权利要求1所述的纺丝隔膜与电极的复合方法，其特征在于：所述步骤四中，辊压温度120～200℃，辊压时辊面的线速度为0.1～10m/min。
5.根据权利要求1所述的纺丝隔膜与电极的复合方法，其特征在于：所述步骤四中，按辊的宽度L施加压力，单位宽度设定压力为0.1～100Kg/m。
6.一种一体化结构，其特征在于：所述一体化结构经过权力要求1-5任一项所述的纺丝隔膜与电极的复合方法处理后得到。
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2021
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