一种涂层隔膜及其制备方法、应用与流程

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种涂层隔膜及其制备方法、应用。

背景技术：

在锂离子电池中，隔膜的主要功能是保持正极和负极隔开，以防止短路，同时允许离子的快速转移，是锂离子电池中较为重要的组成。隔膜的性能会直接影响电池的特性，如电池的容量、内阻、倍率、循环和自放电等性能。目前锂离子涂层隔膜的材料通常为聚烯烃类材料，其耐热性较差，当电池温度达到隔膜的熔断温度时，隔膜发生熔断，正负极就会直接接触而产生内短路。同时，聚烯烃类隔膜对电解液的浸润性较差，使得锂离子电池注液、保液效果较差，从而对锂离子电池的性能造成不良影响。

目前，应对上述问题的主要方法是在隔膜表面涂覆相应的功能涂层，如无机陶瓷涂层和有机聚合物涂层。在隔膜表面涂覆单面或双面无机陶瓷涂层可以有效的提高隔膜的耐热性，在高温下支撑隔膜基膜，降低隔膜热收缩。同时无机陶瓷涂覆也能提高隔膜对电解液的浸润效果。目前，陶瓷涂层的主要陶瓷种类有三氧化二铝、勃姆石、氢氧化镁、二氧化硅等，这些类型的陶瓷涂层对隔膜热收缩和吸液能力都有一定的提升。但是，这些类型涂层隔膜对隔膜的热收缩和保液的性能提升有限，不能完全满足电池性能要求。同时，在面对诸如锂离子电池遇到穿刺、挤压等可能造成内部短路或由于其他问题造成电池内部温度短时间内急剧上升时，现有的陶瓷涂层隔膜均不能有效应对。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种涂层隔膜及其制备方法、应用，本发明所述隔膜具有较低的热收缩性能和较高的电解液保液性，可以在保障锂离子电池安全性的基础上，降低电池内阻，改善电池的电性能。

本发明提出的一种涂层隔膜，包括：基膜和涂覆在基膜表面的涂层，其中，涂层的原料按重量份包括：碱式碳酸镁20-40份、分散剂0.1-3份、粘结剂2-12份、稳定剂0.4-4份、表面活性剂0.2-3份、水20-80份。

优选地，碱式碳酸镁为414型碱式碳酸镁。

上述414型碱式碳酸镁的化学式为4mgco3·mg(oh)2·4h2o，是热力学上最稳定的一种水合碳酸镁，不溶于水，密度为2.16g/cm³，热分解温度为200-500℃，分解产生mgo、co2和水，结构疏松多孔。

优选地，分散剂包括：聚丙烯酸铵盐、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的至少一种。

优选地，粘结剂为水性聚丙酸改性树脂、聚乙烯醇、丙烯腈多元共聚物中的至少一种。

优选地，稳定剂为质量分数为0.1-3wt％的羟甲基纤维钠水溶液。

优选地，表面活性剂为聚醚改性有机硅类表面活性剂、离子氟碳类表面活性剂、阴离子氟碳表面活性剂中的至少一种。

优选地，涂层的厚度为1-10μm。

优选地，基膜为聚丙烯单层膜、聚乙烯单层膜、聚丙烯多层复合膜、聚丙烯膜和聚乙烯膜组成的复合膜中的一种。

上述聚丙烯膜和聚乙烯膜组成的复合膜中，聚乙烯膜为一层，聚丙烯膜贴敷在聚乙烯膜的两面，聚丙烯膜的层数≥2。

本发明还提出了上述涂层隔膜的制备方法，包括如下步骤：将碱式碳酸镁、分散剂、稳定剂和水搅拌分散1-3h得分散液；然后向分散液中加入粘结剂、表面活性剂搅拌分散0.5-2h，过滤得到涂层浆料；将涂层浆料均匀涂覆在基膜表面，烘干得到涂层隔膜。

优选地，以1000-2000rpm的速度搅拌分散1-3h。

优选地，以100-500rpm的速度搅拌分散0.5-2h。

优选地，分散时的温度为20-40℃。

优选地，滤网目数为100-200目。

优选地，涂覆速度为25-50m/min，烘干温度为40-70℃。

上述制备方法中，可以用分散机进行分散处理，例如双行星式高速分散机；用涂覆机进行涂覆，涂覆方法可以为微凹版辊涂等。

上述水均为去离子水。

本发明还提出了上述述涂层隔膜在锂电池中的应用。

优选地，在带有防爆阀的锂电池中的应用。

采用碱式碳酸镁作为陶瓷主材制备的陶瓷涂层隔膜对比现有技术的陶瓷涂层隔膜有如下的优势：

1、本发明选用碱式碳酸镁作为陶瓷主材制备涂层隔膜，碱式碳酸镁质轻、疏松多孔，可以在隔膜表面涂覆较大的厚度而不显著增加隔膜的透气度，而且涂层厚度的提高可以有效的降低隔膜的热收缩，使得隔膜拥有较低的热收缩性能；

2、碱式碳酸镁内部结构疏松多孔、比表面积大、颗粒表面与电解液接触角小，使得涂层隔膜具有优异的电解液浸润效果和保液能力，涂层内部的孔结构富含电解液为锂离子传输提供通道，使得使用本发明涂层隔膜的锂离子电池具有较低的内阻，电性能得到改善；碱式碳酸镁与适宜的分散剂、粘结剂、稳定剂、表面活性剂相互配合，可以使得碱式碳酸镁均匀分散在基膜表面并且粘附性好，从而进一步提高锂离子电池的性能；

3、碱式碳酸镁在200℃左右开始分解，最开始分解产生水，在400℃左右分解产生二氧化碳，分解时吸收热量产生大量气体；因此当本发明所述涂层隔膜应用于锂离子电池特别是带有防爆阀的锂离子电池当中时，具有如下增益效果：在锂离子电池因内短路或其他原因导致局部温度急剧上升时，本发明所述隔膜涂层中的碱式碳酸镁受热分解，在吸收热量的同时产生大量气体，电池内部气压迅速增加冲开电池防爆阀，从而避免电池发生爆炸等更为严重的安全隐患。

附图说明

图1为实施例1中涂层隔膜和基膜在不同温度加热30min后纵向热收缩率结果。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

一种涂层隔膜，包括：基膜和涂覆在基膜表面的涂层，其中，涂层的原料按重量份包括：414型碱式碳酸镁30份、聚丙烯酸铵盐0.3份、水性聚丙酸改性树脂2.8份、质量分数为2wt％的羟甲基纤维钠水溶液0.4份、聚醚改性有机硅表面活性剂0.5份、水66份。

上述涂层隔膜的制备方法，包括如下步骤：于25℃，用分散机将碱式碳酸镁、分散剂、稳定剂和水以1200rpm的速度搅拌分散2h得分散液；然后向分散液中加入粘结剂、表面活性剂，以300rpm的速度搅拌分散1h，过200目筛网得到固含量为34wt％，粘度<150mpa·s的涂层浆料；用涂覆机以40m/min的速度将涂层浆料均匀涂覆在基膜(聚乙烯pe膜)表面，于50℃烘干得到涂层隔膜，其中，基膜的厚度为12μm，涂层厚度为7μm±2。

实施例2

一种涂层隔膜，包括：基膜和涂覆在基膜表面的涂层，其中，涂层的原料按重量份包括：414型碱式碳酸镁28份、聚乙烯吡咯烷酮1份、聚乙烯醇5份、质量分数为2wt％的羟甲基纤维钠水溶液0.6份、水性非离子氟碳类表面活性剂0.4份、水65份。

上述涂层隔膜的制备方法，包括如下步骤：于30℃，用分散机将碱式碳酸镁、分散剂、稳定剂和水以1500rpm的速度搅拌分散1h得分散液；然后向分散液中加入粘结剂、表面活性剂，以400rpm的速度搅拌分散0.5h，过200目筛网得到固含量为35％，粘度<150mpa·s的涂层浆料；用涂覆机以45m/min的速度将涂层浆料均匀涂覆在基膜(聚丙烯pp膜)表面，于45℃烘干得到涂层隔膜，其中，基膜的厚度为14μm，涂层厚度为5μm±2。

实施例3

一种涂层隔膜，包括：基膜和涂覆在基膜表面的涂层，其中，涂层的原料按重量份包括：414型碱式碳酸镁32份、聚丙烯酸铵盐0.6份、水性聚丙酸改性树脂4份、质量分数为2wt％的羟甲基纤维钠水溶液0.8份、聚醚改性有机硅表面活性剂0.6份、水62份；

其中，基膜为pp/pe/pp三层复合基膜，基膜的厚度为16μm，涂层厚度为9μm±2。

上述涂层隔膜的制备方法，包括如下步骤：于28℃，用分散机将碱式碳酸镁、分散剂、稳定剂和水以1600rpm的速度搅拌分散2.5h得分散液；然后向分散液中加入粘结剂、表面活性剂，以500rpm的速度搅拌分散1.5h，过150目筛网得到固含量为38％，粘度<200mpa·s的涂层浆料；用涂覆机以35m/min的速度将涂层浆料均匀涂覆在基膜表面，于60℃烘干得到涂层隔膜。

图1为实施例1中涂层隔膜和基膜在不同温度加热30min后纵向热收缩率结果，由图1可以看出本发明的涂层隔膜热收缩率较基膜降低明显，140℃时基膜热收缩达50％以上，而涂层隔膜热收缩率在4％左右，160℃时热收缩率不到10％；说明本发明所述涂层隔膜具有良好的耐高温性能。

将实施例1-3制得的涂层隔膜和其对应的基膜进行厚度、透气度、电解液接触角和电解液保液率等性能测试，结果如表1所示。

表1检测结果

由表1可以看出，本发明所述的涂层隔膜涂层厚度在设计范围内，透气度值较对应基膜无明显提升，而电解液接触角明显降低，电解液保液率较基膜提升3-4倍，具有较好的保液性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。