CN114530605B - 一种用于集流体的高表面能涂液及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于集流体的高表面能涂液及其应用，以涂液的总质量计，所述涂液主要包括如下浓度的组分：金属氧化物纳米颗粒1％‑10％、分散稳定剂0.1％‑2％、表面粘合剂0.05％‑1％和导电剂0.05％‑1％，其余为溶剂。与现有技术相比，本发明涂液制成的锂离子电池极片用金属集流体，具有达因值水平高的涂层，并且能够兼备优良的持久高表面能极片用集流体。能够在涂布过程中获得足够充分的涂层与金属之间的附着力强度，并且能够稳定维持集流体的力学性能和电性能不变。具有达因值水平高的持久高表面能，充分的附着力强度、稳定的力学性能和电性能、环境友好、易加工等优良性能，适用于大规模生产和应用。
Description
技术领域
本发明涉及保冷技术领域，尤其涉及一种用于集流体的高表面能涂液及其应用。
背景技术
锂离子电池由于能量密度大、输出功率高、寿命长、重量轻、体积小、对环境友好等优点，而被广泛应用于消费类电子产品和电动汽车中。其中，在正极极片制备过程中，如何将活性物质浆料在金属集流体上下表面很好地铺展开至关重要，它是实现浆料与集流体牢固附着的基础和前提，直接影响到电池的性能、寿命和安全性。
目前常用的提高集流体表面能的方法是进行等离子体处理(如电晕)。但电晕处理存在以下一些问题，一是持久性不足，通常三天后，表面达因值急剧衰退至处理前水平；二是表面能水平还不够高，达因值不足铺底不充分，导致上浆后，缺陷突现，甚至会造成无法上浆、无法压实、易脱落等问题；三是电晕处理过程中，会产生很多氧化—还原产物，导致作业环境和金属集流体卷上，残留异味严重。
有鉴于此，确有必要提供一种能够解决上述问题的具有提高极片制备良率及改善作业环境的持久高表面能集流体。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于集流体的高表面能涂液及其应用。该涂液能够应用于制备持久高表面能极片用集流体，具有达因值水平高同时持久达因值水平也高的优势。
技术方案：为了达到上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于集流体的高表面能涂液，以涂液的总质量计，所述涂液主要包括如下浓度的组分：
金属氧化物纳米颗粒1％-10％、分散稳定剂0.1％-2％、表面粘合剂0.05％-1％和导电剂0.05％-1％，其余为溶剂。
优选的，所述金属氧化物纳米颗粒浓度为1wt％—5wt％。
优选的，所述金属氧化物纳米颗粒选自氧化锆、氧化钛、氧化铈、氧化硅、氧化镁、二氧化铪、氧化锡、氧化镍、氧化钇、碳化硅、勃姆石和硫酸钡中的至少一种或几种的组合；所述金属氧化物纳米颗粒的分散相尺寸在1nm以上且低于1μm。进一步优选的，所述金属氧化物纳米颗粒为氧化钛、氧化铈或氧化锆。更优选的，所述金属氧化物纳米颗粒为平均粒径在1000nm以下的氧化钛、氧化铈或氧化锆。
优选的，通常为了使金属纳米颗粒分散稳定，使用盐酸、硝酸、磷酸、乙酸、丙酸、抗坏血酸、植酸、苹果酸或上述酸的盐中的一种或几种的组合作为分散稳定剂。另外，根据纳米颗粒在这些分散稳定剂中的Zeta电位，可调节分散剂的pH从而进一步提高复合涂液的稳定性。
优选的，为了提高铝箔与高表面能涂层间的牢固程度，使用聚丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酰胺树脂、改性醇酸树脂中的一种或几种的组合作为表面粘合剂。
优选的，为了降低铝箔与高表面能涂层间的接触电阻，使得高表面能集流体的电化学性能保持与空白相当，使用单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯等中的一种或几种的组合作为导电剂。
优选的，所述溶剂选水系、醇系、酯系、醚系、烃系或酮系中的一种或几种的组合，进一步优选为水系溶剂。
优选的，所述涂液需满足下列条件：
(1)涂液粘度1～10cp@25℃；
(2)涂液pH为3～10；
(3)涂液电导率为200～5000。
本发明还提供了所述的高表面能涂液在制备电化学装置中极片用集流体中的应用。
本发明还提供了一种电化学装置中极片用集流体，由所述的高表面能涂液涂布在集流体上下表面形成高表面能涂层所制成。
所述的电化学装置中极片用集流体的制备方法，包括采用凹版涂布法，将所述高表面能涂液涂布在集流体上下表面形成高表面能涂层。
优选的，所述的电化学装置中极片用集流体的制备方法，包括如下步骤：
采用凹版涂布法，在金属箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重60～120mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，根据涂液溶剂的类型在80～150℃下施行烘焙。不论形成的高表面能涂层是单层还是多层，均设定总计干膜重在60～120mg/m2，烘焙温度条件在80～150℃范围内。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
(1)本发明涂液制成的锂离子电池极片用金属集流体，具有达因值水平高的涂层，并且能够兼备优良的持久高表面能极片用集流体。
(2)本发明涂液制成的锂离子电池极片用金属集流体，能够在涂布过程中获得足够充分的涂层与金属之间的附着力强度，并且能够稳定维持集流体的力学性能和电性能。
(3)本发明涂液制成的锂离子电池极片用金属集流体，具有达因值水平高的持久高表面能，充分的附着力强度、稳定的力学性能和电性能、环境友好、易加工等优良性能，适用于大规模生产和应用。
附图说明
图1为本发明实施例的锂离子电池极片用集流体的结构示意图，其中：10-金属集流体；20-高表面能涂层。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例1
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化钛纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化钛纳米颗粒的分散相尺寸为60nm)，纳米颗粒浓度为5％。其中分散剂为2％乙酸钠，添加树脂为0.5％聚丙烯酰胺，导电剂为0.5％碳纳米管浆料。涂液粘度2.2cp@25℃；pH为7.6；电导率为2800。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
实施例2
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化铈纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化铈纳米颗粒的分散相尺寸为60nm)，纳米颗粒浓度为5％。其中分散剂为2％乙酸钠，添加树脂为0.5％聚丙烯酰胺，导电剂为0.5％碳纳米管浆料。涂液粘度2.5cp@25℃；pH为7.7；电导率为2600。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
实施例3
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化钛及氧化铈纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化钛及氧化铈纳米颗粒的分散相尺寸为120nm)，纳米颗粒浓度为8％。其中分散剂为3％柠檬酸，添加树脂为0.5％聚丙烯酸，导电剂为0.5％石墨烯浆料。涂液粘度6.5cp@25℃；pH为5.8；电导率为3200。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
实施例4
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的分散相尺寸为80nm)，纳米颗粒浓度为8％。其中分散剂为3％柠檬酸，添加树脂为0.5％聚丙烯酸，导电剂为0.5％石墨烯浆料。涂液粘度4.8cp@25℃；pH为5.2；电导率为2400。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
实施例5
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的分散相尺寸为80nm)，纳米颗粒浓度为8％。其中分散剂为2％苹果酸，添加树脂为1％聚氨酯，导电剂为1％石墨烯浆料。涂液粘度7.8cp@25℃；pH为6.2；电导率为1500。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
实施例6
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的分散相尺寸为80nm)，纳米颗粒浓度为8％。其中分散剂为2％植酸钾，添加树脂为0.5％改性醇酸树脂，导电剂为1％超导炭黑。涂液粘度3.2cp@25℃；pH为8.4；电导率为2000。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
实施例7
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的分散相尺寸为80nm)，纳米颗粒浓度为5％。其中分散剂为2％EDTA，添加树脂为0.2％硅树脂，导电剂为0.8％超导炭黑。涂液粘度4.7cp@25℃；pH为7.2；电导率为1000。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
实施例8
一种持久高表面能涂层及包含该涂层的极片用集流体，其制备方法如下：
将一种电池用铝箔基材,通过清洗充分去除铝箔表面残油。清洗干净后的铝箔，采用涂布机进行涂布，高表面能涂液为含氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的复合涂液(其中，氧化钛、氧化铈及氧化锆纳米颗粒的分散相尺寸为80nm)，纳米颗粒浓度为5％。其中分散剂为2％EDTA，添加树脂为0.2％硅树脂，导电剂为0.8％超导炭黑。涂液粘度2.9cp@25℃；pH为6.8；电导率为400。采用凹版涂布法，在铝箔的上下两面设置高表面能涂层。涂布量以干膜重100mg/m2的方式进行设定。在热风干燥单元中，将涂布后铝箔在一定温度下烘干，以加固表面涂层的致密程度。烘干温度为150℃，烘干时间为30s。
以上实施案例，所涂布获得铝箔的性能指标总结如下(表面张力通过达因笔检测)：
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于集流体的高表面能涂液，其特征在于，以涂液的总质量计，所述涂液主要包括如下浓度的组分：
金属氧化物纳米颗粒1%-10%、分散稳定剂0.1%-2%、表面粘合剂0.05%-1%和导电剂0.05%-1%，其余为溶剂；所述金属氧化物纳米颗粒选自氧化钛、氧化铈或氧化锆中的至少一种或几种的组合；所述金属氧化物纳米颗粒的分散相尺寸在1nm以上且低于1μm；所述表面粘合剂选自聚丙烯酸树脂、聚氨酯树脂、聚丙烯酰胺树脂、改性醇酸树脂中的一种或几种的组合；所述导电剂选自单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯中的一种或几种的组合。
2.根据权利要求1所述的用于集流体的高表面能涂液，其特征在于，所述分散稳定剂选自盐酸、硝酸、磷酸、乙酸、丙酸、抗坏血酸、植酸、苹果酸或上述酸的盐中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的用于集流体的高表面能涂液，其特征在于，所述溶剂选自水系、醇系、酯系、醚系、烃系或酮系中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的用于集流体的高表面能涂液，其特征在于，所述涂液需满足下列条件：
（1）涂液粘度1~10cp@25℃；（2）涂液pH为3~10。
5.权利要求1-4任一项所述的高表面能涂液在制备电化学装置中极片用集流体中的应用。
6.一种电化学装置中极片用集流体，由权利要求1-4任一项所述的高表面能涂液涂布在集流体上下表面形成高表面能涂层所制成。
7.权利要求6所述的电化学装置中极片用集流体的制备方法，其特征在于，包括采用凹版涂布法，将所述高表面能涂液涂布在集流体上下表面形成高表面能涂层。
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