CN114665219B - 一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜及其制备方法。所述涂覆隔膜的制备包括以下步骤：步骤一：将超纯水、分散剂、微米级无机阻燃粉体混合均匀；加入聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入增稠剂混合均匀，置于砂磨机中研磨；加入粘结剂、润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料；步骤二：将基膜的双侧涂覆浆料，得到涂层；干燥，收卷，得到涂覆隔膜。有益效果：利用大颗粒硼酸锌(ZB)作为涂覆基质；最大程度减少基膜透气性的降低，联合纳米晶结构的纤维素增稠剂，提供一种高阻燃和高透气性涂覆隔膜。进一步对基膜预处理，形成预涂层部分取代涂层，基膜和涂层的粘附性，进一步增加涂覆隔膜的离子电导率、透气性。

Description

一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及隔膜技术领域，具体为一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜及其制备方法。
背景技术
能源是社会生存和发展的物质基础。目前，世界能源依然是以化石能源为主，但是其为不可再生资源，存在枯竭和环境问题；使得能源结构改革成为了能源发展的重要任务之一。在此背景下新能源汽车得到了快速发展，用以降低化石能源消耗，降低环境污染。
由于新能源汽车的发展，电动汽车的核心部件动力电池成为了研究重点，其能量密度、使用寿命、安全性都得到了广泛关注。而动力电池的核心部件之一隔膜，其主要功能是隔离正负电极，防止内部阴阳极短路；保持电解液中锂离子的迁移；具有不可替代的作用。现有的隔膜大多采用聚烯烃材料，浸润度较低，使得电池内部的内阻增加，降低了电池性能；同时，聚烯烃材料的熔点低，在电池热失控时，隔膜存在破膜而引起热失控现象，严重会导致电池燃烧甚至爆炸，安全性存在风险。涂覆隔膜可以改善上述缺点，现有涂覆隔膜中，能一定程度上提高隔膜对电解液的浸润性，但是涂层会对孔隙率产生影响，一定程度上减少了锂离子通道。此外，现有耐高温的陶瓷涂层的隔膜，可以延迟隔膜闭孔至150℃，但是，不能完全避免电池在高温短路下引发的自燃问题。
综上，解决上述问题，制备一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将超纯水、分散剂、微米级无机阻燃粉体混合均匀；加入聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入增稠剂混合均匀，置于砂磨机中研磨；加入粘结剂、润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料；
步骤二：将基膜的双侧涂覆浆料，得到涂层；干燥，收卷，得到涂覆隔膜。
较为优化地，所述涂覆浆料的原料包括以下组分：按重量计，40～70份超纯水、0.1～0.5份分散剂、37～60份微米级无机阻燃粉体、2～4份聚甲基丙烯酸甲酯、6～12份增稠剂、2～6份粘结剂、0.2～0.5份润湿剂。
较为优化地，步骤一中，所述微米级无机阻燃粉体为D50在1.5～2.2μm的硼酸锌；所述增稠剂是纳米晶结构的纤维素。
较为优化地，步骤二中，所述涂层厚度为2～3μm；干燥温度为50～70℃。
较为优化地，步骤二中，将基膜进行预处理：先涂覆纳米二氧化硅，在置于过氧化苯甲酰溶液中浸渍，得到基膜A；将基膜A的双侧涂覆浆料，得到涂层；干燥，收卷，得到涂覆隔膜。
较为优化地，预处理过程：(1)将二氧化硅纳米粒子加入至体积比为1:0.5的去离子水-乙醇溶液中，加入十六烷基苄基二甲基氯化铵，超声分散，加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷超声分散，得到溶液A；将过氧化二苯甲酰超声分散在丙酮溶液中，得到溶液B；(2)将基膜两侧喷涂溶液A，干燥，得到预涂层；置于溶液B中浸渍，洗涤，干燥，得到基膜A。
较为优化地，浸渍温度为50～60℃，浸渍时间为20～40分钟。
较为优化地，溶液A中，以去离子水-乙醇溶剂为基准，二氧化硅纳米粒子的加入量为2～3wt％，十六烷基苄基二甲基氯化铵的加入量为0.8～1.2wt％，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的加入量为0.5～0.8wt％；预涂层厚度为0.4～0.6μm。
较为优化地，溶液B中，以丙酮溶剂为基准，过氧化二苯甲酰加入量为1.5～2wt％。
较为优化地，一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法制备得到的涂覆隔膜。
本技术方案中，通过使用大颗粒硼酸锌(ZB)作为涂覆基质，联合纳米晶结构的纤维素增稠剂，最大程度减少基膜透气性的降低，提供一种高阻燃和高透气性涂覆隔膜。进一步对基膜预处理，形成预涂层部分取代涂层，基膜和涂层的粘附性，进一步增加涂覆隔膜的离子电导率、透气性。
(1)方案中，涂覆浆料中使用大颗粒的微米级硼酸锌，在聚烯烃基膜上形成较大的孔隙结构涂层，同时结合纳米晶结构的纤维素增稠剂；最大程度减少基膜透气性的降低。
(2)方案中，阻燃性主要来源：硼酸锌具有阻燃作用；受热时，硼酸锌吸收热量形成不挥发的玻璃状液滴，将基体聚烯烃包覆形成隔温层，阻止热量传递，防止基膜进一步发生剧烈氧化。硼酸盐有助于结合物在燃烧中形成碳层，隔绝热量。且硼酸锌在300℃以上会脱去结晶水，在稀释可燃气体的浓度的同时降低材料的燃烧速度；会生成不可燃的B2O3和ZnO漂浮在空气中，可以稀释可燃气体和氧气；另外，ZnO可以将高能量的自由能转化为稳定型的自由基，进一步抑制燃烧。因此在较高温度下具有良好的阻燃性能。
(3)大颗粒的硼酸锌能最大程度保持基膜原有的孔隙率，并且ZB具有强的亲水性，综合两者能够提高隔膜对电解液的浸润性和吸液、保液能力，进而提高电池的循环能力。
(4)方案中，在涂覆浆料中加入了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其具有很强的粘附性，增强了粉体颗粒之间的粘度性，又因为PMMA的收缩率在0.2％～0.6％，与ZB结合能提高隔膜的机械性能，同时增强涂覆隔膜的热收缩性。
(5)方案中为进一步增强涂覆层的粘结性、离子迁移性，对基膜进一步进行了预处理。
首先，方案中使用低浓度的纳米二氧化硅，粒径为50～100nm；涂覆一层厚度为0.4～0.6μm的纳米二氧化硅预涂层，低浓度下，其对基膜原本的孔隙结构影响不大；同时由于表面纳米层，使得大颗粒的硼酸锌与基膜之间存在孔隙结构，抑制了大孔径硼酸锌将基膜上的孔覆盖。因此，预涂层部分替代涂层，增加了透气性和离子迁移性。
其次，过氧化二苯甲酰是一种自由基引发剂，将其用于基膜的预处理，相较于等离子等处理，对其机械性能的本身的性质没有影响，而其O-O键热解形成自由基，可以在基膜上接枝含氧基团；一般情况下，其热解温度加高，由于方案中，预先涂覆了预涂层，含有纳米二氧化硅和十六烷基苄基二甲基氯化铵，纳米二氧化硅上Si-OH导致过氧键中电子云密度增加，加入了断裂；同时十六烷基苄基二甲基氯化铵是还原剂，与过氧化二苯甲酰形成氧化还原体系，降低了过氧化二苯甲酰分解活化能，从而降低了处理温度和处理时间。以此，由于过氧化酰处理后的含氧基团增强了基膜与涂层之间的粘附性，同时降低了界面阻力，增强了离子迁移性。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例中，基膜为聚乙烯微孔膜、分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、增稠剂为纳米晶结构的纤维素、粘结剂为聚酰亚胺、润湿剂为脂肪酸聚氧乙烯醚。
实施例1：
步骤一：将50份超纯水、0.3份分散剂、40份D50在2μm的硼酸锌混合均匀；加入3份聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入7份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入4份粘结剂、0.35份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料。
步骤二：将基膜的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为3μm，经过65℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
实施例2：
步骤一：将50份超纯水、0.3份分散剂、45份D50在2μm的硼酸锌混合均匀；加入3份聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入7份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入3.5份粘结剂、0.35份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料。
步骤二：将基膜的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为3μm，经过65℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
实施例3：
步骤一：将50份超纯水、0.3份分散剂、50份D50在2μm的硼酸锌混合均匀；加入3份聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入7份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入3.5份粘结剂、0.35份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料。
步骤二：将基膜的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为3μm，经过65℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
实施例4：
步骤一：将50份超纯水、0.3份分散剂、50份D50在2μm的硼酸锌混合均匀；加入3份聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入7份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入3.5份粘结剂、0.35份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料。
步骤二：(1)以体积比为1:0.5的去离子水-乙醇为溶剂，加入2.5wt％二氧化硅纳米粒子超声分散均匀，加入1wt％十六烷基苄基二甲基氯化铵分散均匀，加入0.6wt％γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷分散均匀，得到溶液A；以丙酮为溶剂，加入1.8wt％过氧化二苯甲酰超声分散均匀，得到溶液B。(2)基膜两侧喷涂溶液A，干燥，得到0.5μm的预涂层；置于溶液B中，在温度为55℃浸渍30分钟，洗涤，干燥，得到基膜A。(3)将基膜的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为2.5μm，经过65℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
实施例5：
步骤一：将40份超纯水、0.1份分散剂、37份D50在1.5μm的硼酸锌混合均匀；加入2份聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入6份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入2份粘结剂、0.2份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料。
步骤二：(1)以体积比为1:0.5的去离子水-乙醇为溶剂，加入2wt％二氧化硅纳米粒子超声分散均匀，加入0.8wt％十六烷基苄基二甲基氯化铵分散均匀，加入0.5wt％γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷分散均匀，得到溶液A；以丙酮为溶剂，加入1.5wt％过氧化二苯甲酰超声分散均匀，得到溶液B；(2)基膜两侧喷涂溶液A，干燥，得到0.4μm的预涂层；置于溶液B中，在温度为50℃浸渍20分钟，洗涤，干燥，得到基膜A。(3)将基膜A的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为2.6μm，经过50℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
实施例6：
步骤一：将70份超纯水、0.5份分散剂、60份D50在2.2μm的硼酸锌混合均匀；加入4份聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入12份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入6份粘结剂、0.5份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料。
步骤二：(1)以体积比为1:0.5的去离子水-乙醇为溶剂，加入3wt％二氧化硅纳米粒子超声分散均匀，加入1.2wt％十六烷基苄基二甲基氯化铵分散均匀，加入0.8wt％γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷分散均匀，得到溶液A；以丙酮为溶剂，加入2wt％过氧化二苯甲酰超声分散均匀，得到溶液B；(2)基膜两侧喷涂溶液A，干燥，得到0.6μm的预涂层；置于溶液B中，在温度为60℃浸渍40分钟，洗涤，干燥，得到基膜A。(3)将基膜A的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为2.4μm，经过70℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
对比例1：
步骤一：将50份超纯水、0.3份分散剂、40份D50在2μm的硼酸锌混合均匀；加入7份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入4份粘结剂、0.35份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料；
步骤二：将基膜的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为3μm，经过65℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
对比例2：
步骤一：将50份超纯水、0.3份分散剂、40份D50在0.8μm的硼酸锌混合均匀；加入3份聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入7份增稠剂混合均匀，将其置于浆料经砂磨机中研磨；加入4份粘结剂、0.35份润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料；
步骤二：将基膜的双侧涂覆浆料，采用微凹版辊涂布工艺，通过涂布机将所制得的涂覆浆料分步辊涂于9μm的聚乙烯基膜两侧，涂层厚度为3μm，经过65℃烘箱烘烤过后收卷，得到涂覆隔膜。
对比例3：预处理过程中，不使用过氧化二苯甲酰处理；其余与实施例4相同。
对比例4：预处理过程中，不涂覆预涂层；其余与实施例4相同。
对比例5：预处理过程中，将纳米二氧化硅涂覆和过氧化二苯甲酰步骤调换；其余与实施例4相同。
实验：取实施例1～5和对比例1～5中制备的涂覆隔膜进行性能检测，结果如下表所示：
结论：(1)实施例1～3与对比例1～2的数据表明：随着硼酸锌的加入显著提高了隔膜的热收缩性和阻燃性。对比例1中，未加甲基丙烯酸酯的耐热收缩性有小幅下降，离子电导率下降。对比例2中，小颗粒硼酸酯的加入使得透气性降低，原因在于：小颗粒的硼酸锌的水系浆料不易分散，需要添加更多量的分散类助剂，而常见的分散类助剂添加量过多会严重影响涂覆膜的透气、剥离及热收缩性能；在对比例中添加的分散类助剂不足以完全使得粉体分散开，涂覆时会有团聚，影响涂覆过程，且膜面会出现大量漏涂。
(2)将实施例4与实施例3对比，可以发现，对基膜预处理，使用预涂层部分替代涂层，可以在不影响阻燃性的情况下，进一步增强离子电导率和热收缩性；进一步对比对比例3～5可以发现，未使用过氧化二苯甲酰处理，亲水性降低，离子电导率下降；而未涂覆预涂层，使得透气性和离子电导率下降。原因在于：低含量纳米二氧化硅产生的低厚度的纳米层使得较大颗粒的纳米氧化锌在覆盖在基膜表面的时候，产生了孔隙，降低了基膜表面孔隙的覆盖，从而进一步增加了透气性；由于小颗粒的覆盖，进一步增加了耐热收缩性。同时，由于预处理过程中使得基膜亲水基团变多，增强了涂覆层的粘附性和吸液性，降低了界面阻力，增强了隔膜的离子电导率。而对比例5中，将纳米二氧化硅涂覆和过氧化二苯甲酰步骤调换，可以发现亲水性和离子电导率均下降，原因在于：先使用过氧化二苯甲酰处理，交底温度下，过氧化二苯甲酰分解十分缓慢，降低了基膜表面的含氧基团，使得性能下降。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将超纯水、分散剂、微米级无机阻燃粉体混合均匀；加入聚甲基丙烯酸甲酯混合均匀；加入增稠剂混合均匀，研磨；加入粘结剂、润湿剂搅拌均匀，得到涂覆浆料；
步骤二：将基膜进行预处理：先涂覆纳米二氧化硅，再置于过氧化苯甲酰溶液中浸渍，得到基膜A；将基膜A的双侧涂覆浆料，得到涂层；干燥，收卷，得到涂覆隔膜；
其中，预处理过程：(1)将二氧化硅纳米粒子加入至体积比为1:0.5的去离子水-乙醇溶液中，加入十六烷基苄基二甲基氯化铵，超声分散，加入γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷超声分散，得到溶液A；将过氧化二苯甲酰超声分散在丙酮溶液中，得到溶液B；(2)将基膜两侧喷涂溶液A，干燥，得到预涂层；置于溶液B中浸渍，洗涤，干燥，得到基膜A；
溶液A中，以去离子水-乙醇溶剂为基准，二氧化硅纳米粒子的加入量为2～3wt％，十六烷基苄基二甲基氯化铵的加入量为0.8～1.2wt％，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷的加入量为0.5～0.8wt％；预涂层厚度为0.4～0.6μm；
溶液B中，以丙酮溶剂为基准，过氧化二苯甲酰加入量为1.5～2wt％。
2.根据权利要求1所述的一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法，其特征在于：所述涂覆浆料的原料包括以下组分：按重量计，40～70份超纯水、0.1～0.5份分散剂、37～60份微米级无机阻燃粉体、2～4份聚甲基丙烯酸甲酯、6～12份增稠剂、2～6份粘结剂、0.2～0.5份润湿剂。
3.根据权利要求1所述的一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述微米级无机阻燃粉体为D50在1.5～2.2μm的硼酸锌；所述增稠剂是纳米晶结构的纤维素。
4.根据权利要求1所述的一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述涂层厚度为2～3μm；干燥温度为50～70℃。
5.根据权利要求1所述的一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法，其特征在于：浸渍温度为50～60℃，浸渍时间为20～40分钟。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的一种高阻燃和高透气的涂覆隔膜的制备方法制备得到的涂覆隔膜。
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