一种绿色高性能陶瓷涂层锂离子电池隔膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种绿色高性能陶瓷涂层锂离子电池隔膜及其制备方法。绿色高性能陶瓷涂层锂电池隔膜，包括聚烯烃基质微孔膜和复合在聚烯烃基质微孔膜上表面或上表面和下表面的陶瓷涂层；绿色高性能陶瓷涂层锂电池隔膜的总厚度为8～40μm；陶瓷涂层的厚度为2-5μm；聚烯烃基质微孔膜的孔隙率为42～52％，孔径为0.15～1.5μm，聚烯烃基质微孔膜上孔的轴截面为波浪状。采用本发明专利技术绿色高性能陶瓷涂层锂离子电池隔膜制造的锂离子电池具有较好的安全性，有效地解决了现有锂电池隔膜陶瓷涂层脱落、不耐温以及锂离子电池因隔膜造成的安全问题；该锂离子电池隔膜孔隙率高，具有很好的电解液润湿性、力学性能和耐温性能，同时还具有高温关断性能。

【技术实现步骤摘要】
一种陶瓷涂层锂离子电池隔膜及其制备方法
本专利技术涉及一种陶瓷涂层锂离子电池隔膜及其制备方法，属于锂电池隔膜领域。
技术介绍
目前充斥整个锂电池制造行业的隔膜依然是聚烯烃材质的，不论是干法还是湿法，单向拉伸还是双向拉伸，都难以改变其耐温性能差的特点。这不仅给消费类电池的安全性能带来了隐患，也限制了它在动力锂电池方面的应用。为此，出现了在聚烯烃基体隔膜上涂覆耐温材料的技术，虽然有涂覆PVDF涂层的，但更多的是涂覆涂陶瓷层。在陶瓷涂层配方中主要有以下三类：高温粘结剂型、溶胶凝胶型和水溶型。前二者多用毒性较大的溶剂，不仅污染环境，对人健康危害甚大；国内市场大多数为后者，即利用现有的干法锂离子电池隔膜（单向拉伸PP、PE和双向异步拉伸PP、双向同步拉伸PE）在其上直接涂敷水溶性纳米陶瓷溶液，低温烘干（40～60℃），其结果为：陶瓷涂层与基材聚烯烃微孔隔膜不能形成一个有机的整体，尤其是陶瓷与聚烯烃膜的结合界面强度很弱，造成了陶瓷涂层部分脱落（涂层洞、层间剥离）或大面积脱落；并且这种陶瓷涂层锂离子电池隔膜因为界面结合不牢在分切时产生很多粉末；最为严重的问题是，在电池内部当陶瓷涂层与基体聚烯烃膜分离时，电解液在夹层间富集，造成电池变形，如果陶瓷涂层在电池内部从基体脱落，不仅没有提高锂离子电池隔膜的安全性，反而因为脱落的陶瓷纳米粉片而影响了锂离子电池的电性能。所以直到目前为止，既能保证锂离子电池使用安全，又能确保陶瓷涂层配方绿色环保，依然是锂离子电池隔膜制造一个亟待攻克的难关。
技术实现思路
为了克服现有技术中锂离子电池隔膜陶瓷涂层易脱落、分层、界面结合不牢固等缺陷，本专利技术提供一种陶瓷涂层锂离子电池隔膜及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种陶瓷涂层锂电池隔膜，包括聚烯烃基质微孔膜和复合在聚烯烃基质微孔膜上表面或上表面和下表面的陶瓷涂层；陶瓷涂层锂电池隔膜的总厚度为8～40μm；陶瓷涂层的厚度为2-5μm；聚烯烃基质微孔膜的孔隙率为42～52%，孔径为0.15～1.5μm，聚烯烃基质微孔膜上孔的轴截面为波浪状。本申请所得隔膜的陶瓷涂层不易脱落、分层，且界面结合牢固，隔膜的耐温高性好、能够被电解液完全浸渍、电解液摄持率高（＞100%）。作为一种优选方案，聚烯烃基质微孔膜由两层以上的微孔膜复合而成，且相邻两层微孔膜上的孔至少部分是相互导通的。这样进一步提高了电池的电解液润湿性。进一步优选，相邻两层微孔膜上的孔90%以上是相互导通的。上述邻两层微孔膜上的孔至少部分是相互导通的，指上膜层上的孔与下膜层上的孔至少部分是导通的，即确保邻两层微孔膜是相互导通的，也就是当聚烯烃基质微孔膜为多层时，多层之间是通过孔相互导通的。作为另一种优选方案，聚烯烃基质微孔膜由三层微孔膜复合而成。这样即保证了电池的使用寿命，又保证了陶瓷涂层与聚烯烃基质微孔膜的结合牢固性。为了进一步同时保证电池的使用寿命和使用性能，陶瓷涂层锂电池隔膜的总厚度为8～36μm。进一步优选，陶瓷涂层锂电池隔膜的总厚度为8～32μm。为了进一步提高膈膜的耐温性能和对电解液的握持率，聚烯烃基质微孔膜的孔隙率为48～51%，孔径为0.15～0.4μm。为了进一步提高隔膜的使用性能，陶瓷涂层内均匀分散有粒径为45-480nm的无机氧化物颗粒，无机氧化物颗粒的质量为陶瓷涂层质量的15-35%；优选，无机氧化物颗粒的粒径为50-200nm。为了进一步提高隔膜的耐温性能，陶瓷涂层内均匀分散有耐温剂颗粒，耐温剂颗粒的质量为陶瓷涂层质量的10-18%。作为本申请的另一种方案，陶瓷涂层锂电池隔膜，包括聚烯烃基质微孔膜和复合在聚烯烃基质微孔膜上表面和下表面的陶瓷涂层，聚烯烃基质微孔膜上孔的形状为中空柱状。上述陶瓷涂层锂电池隔膜的制备方法，采用浸渍、喷涂、刮涂或辊式涂覆的方式将陶瓷溶液涂布在聚烯烃基质微孔膜的上表面或上表面和下表面，经烘干固化而成，其中烘干固化温度为100～160℃，时间为2～30分钟；所述陶瓷溶液的原料组分包括：无机纳米颗粒、酸稳定剂、耐温剂、溶剂、成膜类高分子聚合物、酯类胶黏剂、硅烷偶联剂和水，所述无机纳米颗粒的质量为水的质量的1～30%，酸稳定剂的质量为水的质量的0.1～5%，耐温剂的质量为水的质量的1～15%，溶剂的质量为水的质量的5～40%，成膜类高分子聚合物的质量为水的质量的1～30%，酯类胶黏剂的质量为水的质量的0.5～15%，硅烷偶联剂的质量为水的质量的0.5～3%。上述陶瓷涂层的制备方法可以采用刮刀式、印花辊式、挤出式、喷涂式等方法在聚烯烃膈膜上进行单面或双面涂布陶瓷溶液。本申请所用水优选为去离子水。聚烯烃基质微孔膜包括干法单向拉伸、双向同步或异步拉伸以及湿法双向同步或异步拉伸工艺生产的产品，也包括单层和双层以上的聚烯烃复合微孔膜。优选，微孔膜的单层厚度6～20μm。上述陶瓷溶液涂布在聚烯烃基质微孔膜的上表面或上表面和下表面形成陶瓷涂层，本申请陶瓷溶液绿色环保，申请人通过对陶瓷溶液各原料组分及用量的选择，使陶瓷涂层对聚烯烃基质微孔膜的附着力相对现有技术有了显著的提升，隔膜的耐温性也有了显著的提升。上述无机纳米颗粒、酸稳定剂、耐温剂、溶剂、成膜类高分子聚合物、酯类胶黏剂和硅烷偶联剂可使用现有技术中常规的助剂，但为了提高各组分之间的协同效应，进而进一步提升电池的使用性能，按照下述方案优选：优选，无机纳米颗粒为三氧化二铝、二氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铈、氧化镁、碳酸钙或沸石中一种或两种以上任意配比的混合物，无机纳米颗粒直径为45～480nm，无机纳米颗粒的质量为水的质量的2～25%。这样进一步促进了陶瓷溶液各原料组分之间的协同效应，使隔膜的耐温性、使用寿命和使用性能等都有了显著的提升。进一步优选，无机纳米颗粒直径为50～200nm，无机纳米颗粒的质量为水的质量的2～20%；更有选为，无机纳米颗粒的质量为水的质量的10～20%。这样能使隔膜的性能得到进一步的提升。优选，酸稳定剂为马来酸、草酸、柠檬酸或对甲苯磺酸中一种或两种以上任意配比的混合物；耐温剂为硅酸乙酯、四乙氧基硅烷、四丙氧基硅烷或四甲氧基硅烷中一种或两种以上任意配比的混合物。这样更进一步促进了陶瓷溶液各原料组分之间的协同效应，使隔膜的耐温性、使用寿命和使用性能等都有了进一步的显著的提升。进一步优选，酸稳定剂的质量为水的质量的0.1～0.3%；耐温剂的质量为水的质量的1～5%。优选，硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷或γ-氨丙基三甲氧基硅烷中一种或两种以上任意配比的混合物。这样更进一步促进了陶瓷溶液各原料组分之间的协同效应。进一步优选，硅烷偶联剂的质量为水的质量的1.5～2.5%。优选，溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙醚或丙酮中一种或两种以上任意配比的混合物。这样更进一步促进了陶瓷溶液各原料组分之间的协同效应。进一步优选，溶剂的质量为水的质量的15～30%。优选，成膜类高分子聚合物为聚环氧乙烷、脲醛树脂、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛树脂或聚N-乙烯基吡咯烷酮中一种或两种以上任意配比的混合物；酯类胶黏剂为丙烯酸乙酯、丙烯酸甲酯、2-甲基丙烯酸甲酯或2-甲基丙烯酸乙酯中一种或两种以上任意配比的混合物。这样更进一步促进了陶瓷溶液各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绿色高性能陶瓷涂层锂电池隔膜，其特征在于：包括聚烯烃基质微孔膜和复合在聚烯烃基质微孔膜上表面或上表面和下表面的陶瓷涂层；绿色高性能陶瓷涂层锂电池隔膜的总厚度为8～40μm；陶瓷涂层的厚度为2‑5μm；聚烯烃基质微孔膜的孔隙率为42～52％，孔径为0.15～1.5μm，聚烯烃基质微孔膜上孔的轴截面为波浪状。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷涂层锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：陶瓷涂层锂电池隔膜，包括聚烯烃基质微孔膜和复合在聚烯烃基质微孔膜上表面或上表面和下表面的陶瓷涂层；陶瓷涂层锂电池隔膜的总厚度为8～40μm；陶瓷涂层的厚度为2-5μm；聚烯烃基质微孔膜的孔隙率为42～52％，孔径为0.15～1.5μm，聚烯烃基质微孔膜上孔的轴截面为波浪状；上述陶瓷涂层锂电池隔膜的制备方法采用浸渍、喷涂、刮涂或辊式涂覆的方式将陶瓷溶液涂布在聚烯烃基质微孔膜的上表面或上表面和下表面，经烘干固化而成，其中烘干固化温度为100～160℃，时间为2～30分钟；所述陶瓷溶液的原料组分包括：无机纳米颗粒、酸稳定剂、耐温剂、溶剂、成膜类高分子聚合物、酯类胶黏剂、硅烷偶联剂和水，所述无机纳米颗粒的质量为水的质量的1～30％，酸稳定剂的质量为水的质量的0.1～5％，耐温剂的质量为水的质量的1～15％，溶剂的质量为水的质量的5～40％，成膜类高分子聚合物的质量为水的质量的1～30％，酯类胶黏剂的质量为水的质量的0.5～15％，硅烷偶联剂的质量为水的质量的0.5～3％。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：无机纳米颗粒为三氧化二铝、二氧化钛、氧化锆、氧化硅、氧化铈、氧化镁、碳酸钙或沸石中一种或两种以上任意配比的混合物，无机纳米颗粒直径为45～480nm，无机纳米颗粒的质量为水的质量的2～25％。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：无机纳米颗粒直径为50～200nm，无机纳米颗粒的质量为水的质量的2～20％。4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于：酸稳定剂为马来酸、草酸、柠檬酸或对甲苯磺酸中一种或两种以上任意配比的混...

【专利技术属性】
技术研发人员：白耀宗，宋尚军，邓重义，琚晓晖，王学瑞，赵东波，黄箭玲，董浩宇，李登科，刘杲珺，杜敬然，曲丽敏，尹康，
申请(专利权)人：中材科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32