陶瓷隔膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种陶瓷隔膜及其制备方法和应用，其中陶瓷隔膜包括基材以及附着于基材的至少一侧表面的陶瓷涂层，陶瓷涂层中包含一维纳米材料且不包含颗粒状的陶瓷粉末和/或陶瓷粉体，一维纳米材料的直径为50nm～500nm，长度为100nm～100μm；除基材的一侧表面无陶瓷涂层外，陶瓷涂层的厚度各自独立地为0.1μm～2μm。上述陶瓷隔膜包含一维纳米材料，更不易于嵌入到有机隔膜基材的微孔中，从而不会堵塞微孔通道，不会阻碍电池中锂离子在有机隔膜中的传导。另外，上述一维纳米材料显著提高陶瓷隔膜的热稳定性，即使是在涂覆极薄的陶瓷涂层的情况下，也能提升陶瓷隔膜的抗热收缩性能。

【技术实现步骤摘要】
陶瓷隔膜及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池隔膜
，特别地，涉及一种陶瓷隔膜及其制备方法。此外，本专利技术还涉及上述陶瓷隔膜在锂离子电池中的应用以及一种包括上述陶瓷隔膜的电池。
技术介绍
锂离子电池作为一种能量密度高、输出电压高、无记忆效应、循环性能优异、环境友好的化学电源体系，具有很好的经济效益、社会效益和战略意义，已被广泛应用于移动通讯、数码产品等各个领域，并逐渐成为储能和电动汽车领域的最主要的电源系统。在锂离子电池中，隔膜的主要作用就是防止正负极直接接触，同时还应允许锂离子在其中的传导，是电池重要的组成部分。隔膜的厚度、微孔结构对电池的功率密度、能量密度和安全性起关键作用，理想的隔膜是在不影响其安全性的基础上尽可能薄和尽可能多孔。目前，商品化的锂离子电池中采用的隔膜主要是具有微孔结构的聚烯烃类隔膜材料，如聚乙烯(Polyethylene，简写为PE)、聚丙烯(Polypropylene，简写为PP)的单层膜或多层膜。虽然聚烯烃隔膜在常温下可以提供足够的机械强度和化学稳定性，但其熔点较低，导致其在高温条件下的抗热收缩性能极差，从而导致正负极短路而迅速积聚大量热，引起电池燃烧或爆炸等安全事故。因此，开发高安全性隔膜已成为行业的当务之急。当前最常用的改善方法(参见JournalofPowerSources195(2010)6192–6196、CN200580036709.6、CN200780035135.X等)就是在聚烯烃隔膜的一面或两面涂覆一层由陶瓷颗粒(Al2O3、SiO2、TiO2等)构成的保护层，称为陶瓷隔膜。其在保证聚烯烃微孔隔膜原有基本特性的基础上，赋予隔膜高耐热功能，降低隔膜的热收缩性，从而更有效地减少电池内部短路，防止因电池内部短路而引起的电池热失控。然而，由于陶瓷粉体比表面能较大，易于团聚，且其表面一般为亲水特性，而聚烯烃膜为疏水材料，因此，从大多数研究报道来看，陶瓷粉体与隔膜基材之间的粘附强度较差，存在明显的“掉粉”现象，这会极大的影响陶瓷隔膜在锂离子电池中的使用性能。另外，为了防止大颗粒陶瓷在组装电池时刺穿隔膜导致短路，就必须采用纳米级陶瓷颗粒，但这往往会堵塞聚烯烃隔膜原有的微孔通道，增加离子传导阻力，降低电池的功率密度；为了减少涂覆陶瓷后对整个电池能量密度的影响，涂层不能太厚，但太薄又起不到高温下的抗热收缩性，从已有的报道来看，陶瓷涂层一般在1微米以上。因此，开发出涂层厚度薄、微孔多、不掉粉的高安全性陶瓷隔膜成为锂电池使用领域拓展的关键所在。
技术实现思路
本专利技术提供了一种陶瓷隔膜及其制备方法和应用，以解决现有技术中陶瓷粉体与隔膜基材之间的粘附力不强而易于脱落、纳米级陶瓷颗粒易于堵塞隔膜原有微孔通道而增加离子传导阻力以及陶瓷涂层太薄而无法降低陶瓷隔膜的热收缩性的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种陶瓷隔膜，所述陶瓷隔膜包括基材以及附着于所述基材的至少一侧表面的陶瓷涂层，所述陶瓷涂层中包含一维纳米材料且不包含颗粒状的陶瓷粉末和/或陶瓷粉体，所述一维纳米材料的直径为50nm～500nm，长度为100nm～100μm；除不包括所述陶瓷涂层的一侧表面外，所述陶瓷涂层的厚度各自独立地为0.1μm～2μm。进一步地，所述一维纳米材料为Na2Ti3O7纳米带、H2Ti3O7纳米线、TiO2纳米棒中的一种或几种。进一步地，除不包括所述陶瓷涂层的一侧表面外，所述陶瓷涂层的厚度各自独立地为0.1μm～0.4μm。进一步地，所述陶瓷涂层包含以重量份计的下列各组分：一维纳米材料0.5～15、粘结剂0.1～5、分散剂0.1～0.5、溶剂79.5～99.3。进一步地，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚偏氟乙烯、丙烯酸、聚环氧乙烷、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)中的一种或几种。进一步地，所述分散剂为聚丙烯酸钠、多偏磷酸钠、正磷酸钠、硅酸钠、十二烷基硫酸钠、羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇中的一种或几种。进一步地，所述溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、丙酮、四氢呋喃、无水乙醇、无水甲醇、N-甲基吡咯烷酮、水中的一种或几种。进一步地，所述基材为聚烯烃类多孔聚合物、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚间苯二甲酰间苯二胺树脂、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚环氧乙烷、聚乙烯醇中的一种或几种。根据本专利技术的另一方面，还提供了上述陶瓷隔膜的制备方法，包括以下步骤：将包括一维纳米材料的陶瓷浆料涂覆在基材的至少一侧表面上并干燥，得到所述陶瓷隔膜。进一步地，所述干燥的步骤中，干燥温度为75℃～100℃；涂覆所述陶瓷浆料的所述基材干燥时在干燥设备中的运行速度为20m/min～40m/min。根据本专利技术的另一方面，还提供了上述陶瓷隔膜在锂离子电池中的应用。根据本专利技术的另一方面，还提供了一种包括上述陶瓷隔膜的电池。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的陶瓷隔膜，涂覆在基材表面的陶瓷涂层中包含一维纳米材料，且不包含颗粒状的陶瓷粉末和/或颗粒状的陶瓷粉体，相比于颗粒状的陶瓷粉末或粉体材料，更不易于嵌入到有机隔膜基材的微孔中，从而不会堵塞微孔通道，不会阻碍电池中锂离子在有机隔膜中的传导。同时，上述一维纳米材料具有较大的长径比，其与有机隔膜基材的接触点增多，增加了粘附性，不会出现“掉粉”现象，且还可以减少粘结剂的使用量，降低成本和粘结剂所引起的降低润湿性、堵塞孔洞等负面影响。另外，上述一维纳米材料能够在有机隔膜基材表面形成一维延伸的三维交联网络，在高温下能够有效地将热收缩应力分散传递至其它分子链上，从而显著提高陶瓷隔膜的热稳定性，即使是在涂覆极薄的陶瓷涂层的情况下，也能提升陶瓷隔膜的抗热收缩性能。本专利技术的陶瓷隔膜，厚度薄，重量轻，孔隙率更接近有机隔膜基材，热稳定性好。本专利技术的陶瓷隔膜的制备方法，简单易行，成本低廉。本专利技术的包括上述陶瓷隔膜的电池，功率密度和能量密度大幅度提高，安全性能优良。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1(a)是本专利技术实施例1的PP/PE基材隔膜的电子扫描电镜图；图1(b)是本专利技术实施例1的陶瓷隔膜的电子扫描电镜图；图1(c)是本专利技术实施例1的陶瓷隔膜的热收缩率测试图；图1(d)是本专利技术实施例1的陶瓷隔膜用于锂离子电池的倍率性能图；图2(a)是本专利技术实施例2的PP基材隔膜的电子扫描电镜图；图2(b)是本专利技术实施例2的陶瓷隔膜的电子扫描电镜图；图2(c)是本专利技术实施例2的陶瓷隔膜的热收缩率测试图；图2(d)是本专利技术实施例2的陶瓷隔膜用于锂离子电池的倍率性能图；图3(a)是本专利技术实施例3的PE基材隔膜的电子扫描电镜图；图3(b)是本专利技术实施例3的陶瓷隔膜的电子扫描电镜图；图3(c)是本专利技术实施例3的陶瓷隔膜的热收缩率测试图；图3(d)是本专利技术实施例3的陶瓷隔膜用于锂离子电池的倍率性能图；图4是本专利技术实施例3的陶瓷隔膜的切面扫描电镜图；图5是本专利技术对比例1的陶瓷隔膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷隔膜，所述陶瓷隔膜包括基材以及附着于所述基材的至少一侧表面的陶瓷涂层，其特征在于，所述陶瓷涂层中包含一维纳米材料且不包含颗粒状的陶瓷粉末和/或陶瓷粉体，所述一维纳米材料的直径为50nm～500nm，长度为100nm～100μm；除不包括所述陶瓷涂层的一侧表面外，所述陶瓷涂层的厚度各自独立地为0.1μm～2μm。

【技术特征摘要】
1.一种陶瓷隔膜，所述陶瓷隔膜包括基材以及附着于所述基材的至少一侧表面的陶瓷涂层，其特征在于，所述陶瓷涂层中包含一维纳米材料且不包含颗粒状的陶瓷粉末和/或陶瓷粉体，所述一维纳米材料的直径为50nm～500nm，长度为100nm～100μm；除不包括所述陶瓷涂层的一侧表面外，所述陶瓷涂层的厚度各自独立地为0.1μm～2μm。2.根据权利要求1所述的陶瓷隔膜，其特征在于，所述一维纳米材料为Na2Ti3O7纳米带、H2Ti3O7纳米线、TiO2纳米棒中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的陶瓷隔膜，其特征在于，除不包括所述陶瓷涂层的一侧表面外，所述陶瓷涂层的厚度各自独立地为0.1μm～0.4μm。4.根据权利要求1至3中任一项所述的陶瓷隔膜，其特征在于，所述陶瓷涂层包含以重量份计的下列各组分：一维纳米材料0.5～15、粘结剂0.1～5、分散剂0.1～0.5、溶剂79.5～99.3。5.根据权利要求4所述的陶瓷隔膜，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚偏氟乙烯、丙烯酸、聚环氧乙烷、羧甲基纤维素钠、丁苯橡胶、聚(偏二氟乙烯-六氟丙烯)中的一种或几种；和/或所...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭秧锡，陈占军，田修营，钟洪彬，胡传跃，文瑾，罗飞，
申请(专利权)人：湖南人文科技学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43