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一种复合隔膜及其制备方法

技术摘要:
本发明提供一种复合隔膜及其制备方法,所述制备方法包括以下步骤:S1、配制陶瓷浆料和PVDF树脂浆料,所述陶瓷浆料和PVDF树脂浆料中均含有阴离子表面活性剂或阳离子表面活性剂;S2、将上述陶瓷浆料和PVDF树脂浆料混合,得到混合浆料,所述混合浆料中同时包含阳离子表面  全部
背景技术:
随着技术的发展和国家政策的促进,新能源汽车行业得到了快速的发展。新能源 汽车用的锂离子电池,普遍采用湿法锂电池隔膜进行叠片或者卷绕成型。现阶段的湿法锂 电池隔膜存在两个问题:一是耐热性能较差,其原材料聚乙烯(PE)的熔点低,导致高温环境 下隔膜的热收缩明显;二是隔膜产品与锂电池正负极极片的粘接力弱,锂电池充放电时正 负极材料会随着膨胀收缩,将导致隔膜的变形和位移。 为了解决这两个问题,锂电池隔膜行业内通用的方法是,在湿法隔膜表面涂覆一 层或者多层功能层。比如,涂覆一层陶瓷颗粒后,可以明显提高湿法PE隔膜的耐高温性能; 涂覆一层聚偏氟乙烯(PVDF)树脂颗粒后,可以提高隔膜与正负极极片的粘接性能。想要同 时解决这两个问题的话,需要同时涂覆陶瓷颗粒和聚偏氟乙烯颗粒,这将导致隔膜产品出 现厚度增加明显、透气性能变差、工艺复杂等许多问题。 专利CN201410445356.6公开了一种陶瓷和凝胶聚合物多层复合的锂电池隔膜的 制备方法,包括如下步骤:步骤1:配制水性PVDF浆料和水性陶瓷浆料;步骤2:聚丙烯隔膜和 聚乙烯隔膜复合,将一层聚丙烯隔膜和一层聚乙烯隔膜在50-100℃下热复合,得到PP/PE复 合隔膜;步骤3:涂布,以步骤2中得到PP/PE复合隔膜作为涂布基材,将步骤1中制备水性浆 料涂布在基材的PE面上,先涂布水性陶瓷浆料形成陶瓷层后再涂布水性PVDF浆料形成凝胶 聚合物层,涂布速率为5-100m/min,经过30-100℃烘箱烘干,得到最终四层复合隔膜。本发 明还公开了依此方法所制备的隔膜。本发明提供的隔膜具有热安全性高和保持电解液的能 力强的优点。 但是,该方法需要先涂陶瓷涂层,再涂PVDF涂层,工艺复杂,效率较低。并且,经过 两次涂布后,产品的厚度增加明显,降低了锂电池的容量。此外,由于PVDF颗粒粒径远低于 陶瓷颗粒粒径,小颗粒堆积效应明显,涂覆制备的PVDF涂层非常容易造成隔膜透气性能下 降。 专利CN201710042281.0公开了一种水性PVDF及其陶瓷混合涂覆隔膜的制备方法。 该方法首先制备了水性PVDF浆料,然后加入水性陶瓷颗粒并均匀混合,然后将浆料经过砂 磨后,涂布在隔膜的表面,经干燥后得到了PVDF和陶瓷的混合涂覆隔膜产品。该方法能够提 高隔膜在电解液中的溶胀率,提高锂电池的电导率,降低锂电池的内阻,同时提高锂电池的 倍率放电性能和循环性能。 但是,在该方法中,由于PVDF颗粒的粒径小于陶瓷颗粒的粒径,两种颗粒混合涂布 后,会形成大小颗粒的堆积效应,导致产品的透气性能下降。并且,由于两种颗粒的堆积覆 盖,如果混合浆料中PVDF比例低,涂层与极片的粘接力低;如果PVDF比例高,产品的耐热性 能较差。 3 CN 111613755 A 说 明 书 2/8 页 以上两篇专利为代表的一系列现有技术,为了同时提高隔膜产品的耐热性能和极 片粘接性能,分别采用了陶瓷/PVDF二次涂布和陶瓷/PVD混涂等方式,制备得到的复合隔膜 容易出现厚度增加明显、产品透气性能变差、涂布工艺复杂和效率低下等许多问题。
技术实现要素:
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足,提供一种一次涂覆制备复合隔膜 方法,以及由该方法得到的复合隔膜。 一方面,本发明提供一种复合隔膜的制备方法,具体包括以下步骤: S1、配制陶瓷浆料和PVDF树脂浆料,所述陶瓷浆料和PVDF树脂浆料中均含有阴离 子表面活性剂或阳离子表面活性剂; S2、将上述陶瓷浆料和PVDF树脂浆料混合,得到混合浆料,所述混合浆料中同时包 含阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂; S3、将上述混合浆料通过微凹涂布装置涂覆于基膜上,形成基膜-陶瓷层-PVDF层 的复合隔膜; 其中,所述微凹涂布装置包括电极片,所述电极片部分包覆于微凹辊外侧,且不与 微凹辊接触,所述电极片与微凹辊之间加有电压。 本发明中,先分别配制陶瓷浆料和PVDF树脂浆料,其中陶瓷和PVDF树脂分别被不 同电荷类型的表面活性剂改性,由于陶瓷具有亲水性,陶瓷与多个表面活性剂的亲水端相 连,使得陶瓷被表面活性剂包裹,同样地,由于PVDF树脂具有疏水性,PVDF树脂也被表面活 性剂包裹。然后将两种浆料进行混合,被各自表面活性剂包裹的陶瓷和PVDF树脂没有空位 与对方的表面活性剂结合,进而形成稳定的混合浆料体系。 本发明中,对微凹涂布装置进行特殊调整,增加一个电极片,并在微凹辊和电极片 之间接入电压,使得微凹辊和电极片带不同电荷类型。当微凹辊转动带着混合浆料经过电 极片时,在电压的作用下,带相反电荷的陶瓷和PVDF树脂往相反方向移动,形成双层浆料, 当微凹辊转向基膜时,将形成的双层浆料背压到基膜上,最终得到双层涂覆隔膜。 由于PVDF树脂具有粘接性,为了提高隔膜与极片粘接力以及耐热性,复合隔膜中 PVDF树脂层应在外层,陶瓷层在中间。因此,微凹辊带动双层浆料背压到基膜上时,靠近微 凹辊应是PVDF树脂,即,微凹辊要与PVDF树脂带相反电荷,同样地,电极片要与陶瓷带相反 电荷。 若表面活性剂不是分别对陶瓷和PVDF树脂进行改性,而是直接将陶瓷、PVDF树脂、 阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂以及其他组分进行混合,得到混合浆料,由于阴/阳 离子表面活性剂中都含亲水端和疏水端,混合浆料中陶瓷和PVDF树脂会同时与阴离子表面 活性剂、阳离子表面活性剂相连,则陶瓷和PVDF树脂不会带相反电荷,在电压作用下,不会 往相反方向移动,即得不到所述双层涂覆隔膜。 在一些实施方案中,所述陶瓷浆料中包含阳离子表面活性剂,所述PVDF树脂浆料 中包含阴离子表面活性剂,且所述微凹辊与电压正极相连,所述电极片与电压负极相连。 在另一些实施方案中,所述陶瓷浆料中包含阴离子表面活性剂,所述PVDF树脂浆 料中包含阳离子表面活性剂,且所述微凹辊与电压负极相连,所述电极片与电压正极相连。 优选地,所述电极片与微凹辊之间的距离为5-30mm。间距太大,电极片与混合浆料 4 CN 111613755 A 说 明 书 3/8 页 响应不及时,无正负电荷的静电吸附作用;间距太小,影响微凹辊正常运转,且会被击穿。 更优选地,所述电极片与微凹辊之间的距离为15-25mm。 在本发明中,对使用的阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的种类没有特别限 制,可以使用本领域常规的类型,可以是一种,也可以是多种的组合。 所述阳离子表面活性剂的非限制性例子包括:季铵盐类、胺盐类等,具体包括:十 八烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基三甲 基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基胺(C12),硬脂基胺(C18)、双十八烷基胺盐酸 盐、N,N-二甲基十八胺盐酸盐等。 在一些实施方案中,所述阳离子表面活性剂选自十八烷基三甲基溴化铵、十六烷 基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴 化铵、十二烷基胺(C12),硬脂基胺(C18)、双十八烷基胺盐酸盐、N,N-二甲基十八胺盐酸盐 中的至少一种。 所述阴离子表面活性剂的非限制性例子包括:羧甲基纤维素钠、十二烷基苯磺酸 钠、十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠、十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠、月桂 基硫酸三乙醇胺、仲烷基磺酸钠、脂肪醇羟乙基磺酸钠、月桂酰肌氨酸钠、椰子酰甲基牛磺 酸钠等。 在一些实施方案中,所述阴离子表面活性剂选自羧甲基纤维素钠、十二烷基苯磺 酸钠、十二烷基硫酸钠、二辛基琥珀酸磺酸钠、甘胆酸钠、十二烷基醇聚氧乙烯醚硫酸钠、月 桂基硫酸三乙醇胺、仲烷基磺酸钠、脂肪醇羟乙基磺酸钠、月桂酰肌氨酸钠、椰子酰甲基牛 磺酸钠中的至少一种。 优选地,所述陶瓷浆料中还包含:陶瓷、粘合剂A、润湿剂A、去离子水;所述PVDF树 脂浆料中还包含:PVDF树脂、粘合剂B、润湿剂B、去离子水。 在一些实施方案中,所述陶瓷浆料中包含:陶瓷、阳离子表面活性剂、粘合剂A、润 湿剂A、去离子水;所述PVDF树脂浆料中包含:PVDF树脂、阴离子表面活性剂、粘合剂B、润湿 剂B、去离子水。 在另一些实施方案中,所述陶瓷浆料中包含:陶瓷、阴离子表面活性剂、粘合剂A、 润湿剂A、去离子水;所述PVDF树脂浆料中包含:PVDF树脂、阳离子表面活性剂、粘合剂B、润 湿剂B、去离子水。 优选地,所述陶瓷选自氧化铝、氧化锆、氧化镁、氢氧化镁、勃姆石、氮化硅、碳化 硅、碳酸钙、硫酸钡中的至少一种。 优选地,所述粘合剂A和B分别独立地选自丁苯橡胶乳液、聚乙烯醇、羧甲基纤维素 钠、苯丙乳液和乙烯-醋酸乙烯共聚物乳液、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种;所述 润湿剂A和B分别独立地选自烷基硫酸盐、磺酸盐、脂肪酸或脂肪酸酯硫酸盐、聚氧乙烯烷基 酚醚、聚氧乙烯脂肪醇醚、聚氧乙烯、聚氧丙烯嵌段共聚物、聚醚有机硅共聚物中的至少一 种。 进一步地,所述陶瓷浆料以100重量份计,陶瓷10-50份,表面活性剂1-10份,粘合 剂A  1-10份,润湿剂A  1-10份,去离子水余量。 进一步地,所述PVDF树脂浆料以100重量份计,PVDF树脂1-30份,表面活性剂1-10 份,粘合剂B1-20份,润湿剂B1-20份,去离子水余量。 5 CN 111613755 A 说 明 书 4/8 页 优选地,所述PVDF树脂浆料占混合浆料的20-50质量%。 更优选地,所述PVDF树脂浆料占混合浆料的30-40质量%。 控制混合浆料中PVDF树脂浆料的量的原因在于:当PVDF树脂浆料的量过高时隔膜 整体耐热性不好;过低时会导致隔膜与极片的粘接力低,当控制PVDF树脂浆料占混合浆料 的20-50质量%时复合隔膜综合性能较好。 在本发明的具体实施方案中,所述PVDF树脂浆料占混合浆料的20质量%、25质 量%、30质量%、35质量%、40质量%、45质量%、50质量%,等等。 优选地,所述电压的电压值为30-100V。 更优选地,所述电压的电压值为30-60V。 进一步优选地,所述电压的电压值为40-50V。 若电压的电压值过小,陶瓷和PVDF树脂不能有效分离,混合涂层上颗粒相互堆积, 导致堵孔,隔膜透气性差,极片粘接差;电压值过大,危险性大,容易击穿。 在本发明的具体实施方案中,所述电压的电压值为:30V、40V、50V、60V、70V、80V、 90V、100V,等等。 优选地,所述基材包括但不限于聚乙烯(PE)膜、聚丙烯(PP)膜、PP与PE多层复合膜 中的一种。 本发明提供的方法采用一次涂覆得到具有两个涂覆层的产品,不仅工艺简单,生 产效率高,而且能减少能耗,降低成本,制备的产品同时具备良好的耐热性能和极片粘接性 能。由于涂覆于陶瓷层上的PVDF树脂层非常薄,不会出现混涂法中大小分子堆积现象,因此 产品的透气性能好,离子电导率高。 另一方面,本发明提供一种复合隔膜,所述复合隔膜由上述制备方法制备得到。 本发明提供的复合隔膜为单面双层隔膜,陶瓷层涂覆于基膜表面,PVDF树脂层涂 覆于陶瓷层表面,形成基膜-陶瓷层-PVDF层的复合隔膜。 本发明提供的复合隔膜具有良好的透气性、极片粘接强度和耐热性能。 还一方面,本发明提供上述复合隔膜在锂离子电池中的应用。 本发明的有益效果在于: (1)采用一次涂覆得到具有两个涂覆层的产品,不仅工艺简单,生产效率高,而且 能减少能耗,降低成本; (2)制备的陶瓷/PVDF双层复合隔膜产品同时具备良好的耐热性能和极片粘接性 能,可以显著提高隔膜产品的附加值; (3)由于涂覆于陶瓷层表面的PVDF树脂层非常薄,不会出现混涂法中大小分子堆 积的现象,产品的透气性能好,离子电导率高。 术语定义 本发明中,当化合物的命名和结构冲突时,以化合物的结构为准。 除非明确地说明与此相反,否则,本发明引用的所有范围包括端值。 本发明使用的术语“一个”或“一种”来描述本发明所描述的要素和组分。这样做仅 仅是为了方便,并且对本发明的范围提供一般性的意义。这种描述应被理解为包括一个或 至少一个,并且该单数也包括复数,除非明显地另指他意。“多种”表示两种或两种以上。 本发明中的数字均为近似值,无论有否使用“大约”或“约”等字眼。数字的数值有 6 CN 111613755 A 说 明 书 5/8 页 可能会出现1%、2%、5%、7%、8%、10%等差异。每当公开一个具有N值的数字时,任何具有 N /-1%,N /-2%,N /-3%,N /-5%,N /-7%,N /-8%或N /-10%值的数字会被明确地公 开,其中“ /-”是指加或减,并且N-10%到N 10%之间的范围也被公开。 除非另外说明,应当应用本发明所使用的下列定义。出于本发明的目的,化学元素 与元素周期表CAS版,和1994年第75版《化学和物理手册》一致。此外,有机化学一般原理可 参考"Organic  Chemistry",Thomas  Sorrell ,University  Science  Books ,Sausalito: 1999 ,和"March 's  Advanced  Organic  Chemistry"by  Michael  B .Smith  and  Jerry  March,John  Wiley&Sons,New  York:2007中的描述,其全部内容通过引用并入本发明。 除非另行定义,否则本发明所用的所有科技术语的含义与本发明所属领域的普通 技术人员通常理解的一样。尽管与本发明所描述的方法和材料类似或等同的方法和材料也 可用于本发明实施方案的实施或测试中,但是下文描述了合适的方法和材料。本发明提及 的所有出版物、专利申请、专利以及其他参考文献均以全文引用方式并入本发明,除非引用 具体段落。如发生矛盾,以本说明书及其所包括的定义为准。此外,材料、方法和实施例仅是 例示性的,并不旨在进行限制。 附图说明 图1是本发明实施例的装置示意图,其中,1-基膜,2-浆料槽,3-电极片,4-微凹辊; 图2是本发明实施例1中复合隔膜的SEM图,其中,Ⅰ-基膜,Ⅱ-陶瓷层,Ⅲ-PVDF树脂 层;陶瓷为不规则大颗粒,PVDF树脂为球形小颗粒。
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