一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料及其制备方法和轻量化锂离子电池复合隔膜技术

本发明专利技术提供一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料及其制备方法和轻量化锂离子电池复合隔膜，所述涂层材料以水为液相组分，所述涂层材料中还包括固相组分，所述固相组分包括纳米纤维素和多孔无机纳米纤维。本发明专利技术提供的轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料将多孔无机纳米纤维与纳米纤维素组合，该涂层材料对微孔聚烯烃隔膜进行修饰改性，可实现在不牺牲透气性的前提下，提升隔膜的电解液浸润性和稳定性，而且所得涂层与基膜结合力强，涂层轻薄，有利于锂离子的传输以及提升电池的质量能量密度等性能，具有非常广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料及其制备方法和轻量化锂离子电池复合隔膜
本专利技术涉及锂离子电池
，尤其涉及一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料及其制备方法和轻量化锂离子电池复合隔膜。
技术介绍
近年来随着电动交通工具以及便携式电子产品的迅速发展及大型锂离子动力电池的使用，促使锂电池工业发展迅猛。由于应用领域的扩大和需求的增加，电池的外形和尺寸发生变化，并且需要锂二次电池具有比现有小型电池更好的耐用性和安全性。隔膜在锂离子电池中阻隔电池正负极防止短路，但允许锂离子自由传输，其结构和性质对锂离子电池的性能、循环寿命、安全性至关重要。目前商业的锂离子电池主要采用微孔聚烯烃隔膜，但其表面能高，电解液浸润性不好；熔点低，在温度达到130℃或更高时，会出现软化甚至熔化，隔膜体积剧烈收缩引起内部短路，从而引发灾难性的热失控，安全性能差。从锂电池安全性的角度考虑，为改善电解液浸润性和热稳定性，越来越多的电池企业开始把目光投向隔膜涂覆改性领域，生产出复合的锂离子电池隔膜。常见的方法是将无机粒子涂覆在PP、PE以及无纺布等高分子微孔膜上，无机粒子的存在，能够提高多层复合隔膜的电解液浸润性和高温尺寸稳定性，进而提升锂离子电池的性能，然而无机粒子涂层与高分子隔膜的粘结性较差，容易发生脱落。而且常用的隔膜涂层为勃姆石、Al2O3等无机颗粒，其尺寸一般大于500nm，涂层厚度在2微米以上，涂层密度4g/m2以上，虽然改善了电池性能，但会影响电池的体积和质量能量密度，厚重的隔膜涂层也会部分阻碍锂离子的传输。反之，如果涂层的无机颗粒粒径过小，容易堆积团聚，难以获得稳定性均一的涂层。研究人员又提出了进一步改进，中国专利201711485007.7公开了一种纳米粒子涂覆的锂离子电池隔膜及其制备方法，所述锂离子电池隔膜包括基膜和涂覆在基膜至少一个表面的纳米粒子，其中，纳米粒子具有多孔结构，并且至少部分孔道贯穿纳米粒子的表面其采用具有多孔结构的纳米粒子制备涂层，多孔结构的纳米粒子本身具有发达的孔道结构，锂离子不仅可以在纳米粒子间的空隙中扩散，还可以在纳米粒子本身的多孔结构内部孔道中自由扩散。通过涂覆多孔的二氧化硅颗粒，在较小牺牲透气性的前提下，提高了锂离子的电导率，但其对修饰后隔膜的剥离强度、热稳定性未有研究。因此，在利用电池隔膜涂覆改善隔膜热稳定性、电解液浸润性的同时，提升隔膜的透气性，保证隔膜剥离强度和锂离子的传输效果，具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料及其制备方法和轻量化锂离子电池复合隔膜。本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料，以水为液相组分，所述涂层材料中还包括固相组分，所述固相组分包括纳米纤维素和多孔无机纳米纤维。本专利技术将多孔无机纳米纤维与纳米纤维素组合，所得涂层材料对微孔聚烯烃隔膜进行修饰改性，可实现在不牺牲透气性的前提下，提升隔膜的电解液浸润性和稳定性，而且所得涂层与基膜结合力强，涂层轻薄，有利于锂离子的传输以及提升电池的质量能量密度等性能，具有非常广阔的应用前景。优选地，所述纳米纤维素与所述多孔无机纳米纤维的质量比为0.4-1.5：1，更优选为1:1。优选地，所述纳米纤维素在所述涂层材料中的质量百分浓度c与所述纳米纤维素的长径比L/d满足：c＝(0.03～0.05)*L/d％，其中L为纳米纤维素的平均长度，d为纳米纤维素的平均直径。优选地，L为0.5～2μm，d为20～50nm。当纳米纤维素的浓度和/或长径尺寸满足上述要求，固体组分不易团聚成球，所得涂层材料稳定性好，从而隔膜透气性、面密度等性质较优。优选地，所述多孔无机纳米纤维的长度＜5μm。优选地，所述多孔无机纳米纤维的孔隙率为15-40％。优选地，所述多孔无机纳米纤维的制备方法包括：将含有无机材料或其前驱体的胶体溶液与聚乙烯醇溶液混合形成纺丝液，进行静电纺丝得到聚乙烯醇和无机材料的复合纤维膜，将所述复合纤维膜进行煅烧后置于NaOH溶液中形成微孔。在本专利技术的优选实施方式中，所述多孔无机纳米纤维为多孔无机SiO2或Al2O3纳米纤维。所述多孔无机SiO2或Al2O3纳米纤维可采用如下方法制备：将一定质量的聚乙烯醇(PVA)粉末溶于蒸馏水中，在80℃下搅拌1h，然后在室温下冷却12h，得到浓度为10wt％PVA溶液；将正硅酸乙酯或纳米氧化铝和蒸馏水混合均匀，再向其混合溶液中逐滴加入少量磷酸，室温下搅拌12h，得到胶体溶液；将上述PVA溶液和胶体溶液混合，搅拌得到纺丝液，采用静电纺丝机进行纺丝：将含有一定质量的上述纺丝液装入带有合适型号的针头的5ml注射器中，调整针头与接收器之间距离为15cm、平移速度为300mm/min、平移距离为15cm，采用转筒接收器接收，设置接收器的转速为50r/min，最后开启静电高压进行纺丝，得到PVA@SiO2或PVA@Al2O3复合纤维膜；将PVA@SiO2或PVA@Al2O3复合纤维膜从铝箔上剥离，进行高温煅烧；将高温煅烧后的产物，置于一定量的2mol/L的NaOH溶液中，90℃下搅拌3小时，离心，清洗，得到目标产物多孔无机SiO2或Al2O3纳米纤维。第二方面，本专利技术还提供上述轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料的制备方法。本专利技术提供的制备方法包括将第一浆料和第二浆料混合的步骤，所述第一浆料包括纳米纤维素和水，所述第二浆料包括多孔无机纳米纤维和水。优选地，所述第二浆料还包括0.01～0.2wt％的粘结剂。进一步优选地，所述粘结剂为醇解度为97～99mol％、黏度为25～30mPa.s的聚乙烯醇。本专利技术由于采用较少或者不采用粘结剂，因此不容易堵塞隔膜空隙，从而所得隔膜具有优良的透气性和离子电导率。第三方面，本专利技术提供一种轻量化锂离子电池复合隔膜，包括基材，所述基材为多孔膜材料，在所述基材的至少一个表面，设有由上述轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料形成的修饰涂层。其中，所述多孔膜材料优选为聚乙烯多孔膜和/或聚丙烯多孔膜。所述涂层材料采用不限于涂覆的方式附着于所述基材表面。其中涂覆方式为本领域技术人员掌握的常规技术手段，包括刮刀涂覆、浸涂法、喷涂法、旋涂法等。在本专利技术的具体实施方式中，采用刮涂的方式将涂层材料涂覆于基材表面，涂覆速率优选为30～80m/min。涂覆后将复合隔膜在40～90℃下干燥。优选地，所述基材的厚度为9～13μm。优选地，所述修饰涂层的厚度为400～1000nm。在本专利技术的优选实施方式中，所提供的轻量化锂离子电池复合隔膜，其修饰涂层的面密度小于1.0g/m2(目前商业化的Al2O3涂层厚度通常在3微米，涂层面密度>6g/m2),具有优异的碳酸酯类电解液浸润性(如：1MLiPF6/EC+DMC电解液的接触角<5°)，以及优异的热稳定性能(150℃/1h，收缩率<3％)，以及耐高电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料，以水为液相组分，其特征在于，所述涂层材料中还包括固相组分，所述固相组分包括纳米纤维素和多孔无机纳米纤维。/n

【技术特征摘要】
1.一种轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料，以水为液相组分，其特征在于，所述涂层材料中还包括固相组分，所述固相组分包括纳米纤维素和多孔无机纳米纤维。


2.根据权利要求1所述的轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料，其特征在于，所述纳米纤维素与所述多孔无机纳米纤维的质量比为0.4-1.5：1。


3.根据权利要求1或2所述的轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料，其特征在于，所述纳米纤维素在所述涂层材料中的质量百分浓度c与所述纳米纤维素的长径比L/d满足：c＝(0.03～0.05)*L/d％，其中L为纳米纤维素的平均长度，d为纳米纤维素的平均直径。


4.根据权利要求3所述的轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料，其特征在于，L为0.5～2μm，d为20～50nm；
和/或，所述多孔无机纳米纤维的长度＜5μm。


5.根据权利要求1～4任一项所述的轻量化锂离子电池隔膜用涂层材料，其特征在于，所述多孔无机纳米纤维的孔隙率为15-40％；
优选地，所述多孔无机纳米纤维为多孔无机SiO2或Al2O3纳米纤维。
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【专利技术属性】
技术研发人员：王海辉，刘凯，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11