CN113745560A - 一种用于隔膜的水性涂覆组合物及水性涂覆隔膜 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于隔膜的水性涂覆组合物及水性涂覆隔膜，属于燃料电池领域。本申请提供的用于隔膜的水性涂覆组合物，无机陶瓷粉体的粒径范围呈多级阶梯式分布，可使涂覆浆料的组分更加均一，利于增大涂覆无机陶瓷粉末粒径分布范围，使涂覆更加均匀，增加涂覆层的孔隙率，有效的提升对极性电解液的浸润性和吸液率、耐穿刺性能以及热稳定性能，提高锂电池的安全性。

Description

一种用于隔膜的水性涂覆组合物及水性涂覆隔膜

技术领域

本申请属于燃料电池领域，尤其涉及一种用于隔膜的水性涂覆组合物及水性涂覆隔膜。

背景技术

随着科学技术的进步，人们对锂离子电池的综合性能提出了更高的要求，随之而来的锂离子电池安全性，特别是快速充放电过程中的着火、爆炸等问题引人关注。当前使用的电池隔膜多为聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)微孔膜，高温下隔膜的热收缩引起正负极片接触，带来局部迅速放热，以至于巨大的安全隐患。另外，聚烯烃类隔膜对极性电解液的浸润性较差、耐穿刺性能较差，目前，这些缺陷已成为锂电池高性能化过程中亟待克服的困难。

发明内容

本申请提供了一种用于隔膜的水性涂覆组合物及水性涂覆隔膜，以解决现有技术中如何避免锂离子电池隔膜在高温下的热收缩的技术问题。

第一方面，本申请提供了一种用于隔膜的水性涂覆组合物，所述组合物的组分包括：

无机陶瓷粉体、溶剂和助剂；

所述无机陶瓷粉体的粒径范围呈多级阶梯式分布；其中，

所述无机陶瓷粉体按粒径分为第一无机陶瓷粉体、第二无机陶瓷粉体和第三无机陶瓷粉体；

所述第一无机陶瓷粉体的粒径范围为0.1-0.5um，所述第二无机陶瓷粉体的粒径范围为0.4-1um，所述第三无机陶瓷粉体的粒径范围为0.9-2um；

所述第一无机陶瓷粉体的质量M1、所述第二无机陶瓷粉体的质量M2和所述第三无机陶瓷粉体的质量M3的质量比满足条件：M1∶M2∶M3＝1-3∶4-6∶1-3。

可选的，所述无机陶瓷粉体的粒径范围为0.1-2um。

可选的，按重量份计，所述原料包括：

无机陶瓷粉体：20-40份，溶剂：60-80份，助剂：2.4-6份。

可选的，所述无机陶瓷粉体包括如下至少一种：氧化铝、勃姆石、氧化硅、氧化钛。

可选的，所述助剂包括：粘结剂、分散剂和增稠剂；

按重量份计，所述粘结剂为2-5份，所述分散剂为0.2-0.5份，所述增稠剂为0.2-0.5份。

可选的，所述粘结剂包括如下至少一种：丁苯橡胶乳液、丙烯腈类、丙烯酸酯乳液。

可选的，所述分散剂包括如下至少一种：

聚丙烯酰胺、脂肪酸聚乙二醇酯、纤维素衍生物。

可选的，所述增稠剂包括如下至少一种：CMC、膨润土。

第二方面，本申请提供一种水性涂覆隔膜，所述涂覆隔膜包括隔膜基底和涂覆层，所述涂覆层由第一方面所述的涂覆组合物经涂覆得到。

第三方面，本申请提供一种水性涂覆隔膜的制备方法，该方法用于制备第二方面所述的涂覆隔膜，所述方法包括：

按所述重量份，准备无机陶瓷粉体、溶剂、粘结剂、分散剂和增稠剂；

按所述质量比和粒径范围，将所述无机陶瓷粉体分为第一无机陶瓷粉体、第二无机陶瓷粉体和第三无机陶瓷粉体；

将所述增稠剂与所述溶剂混合，并按第一设定转速和第一设定时间进行搅拌，得到设定粘度的第一混合溶液；

将所述第一混合溶液与第一无机陶瓷粉体、所述第二无机陶瓷粉体以及所述第三无机陶瓷粉体混合，并搅拌至溶解，得到悬浊状态的第二混合溶液；

将所述第二混合溶液与分散剂以及粘结剂混合，并按第二设定转速和第二设定时间进行粉碎，得到所述水性涂覆组合物的涂覆浆料；

将所述涂覆浆料按设定厚度涂覆于所述隔膜基底表面，后干燥，得到所述水性涂覆隔膜。

本申请提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请提供的用于隔膜的水性涂覆组合物，无机陶瓷粉体的粒径范围呈多级阶梯式分布，可使涂覆浆料的组分更加均一，利于增大涂覆无机陶瓷粉末粒径分布范围，使涂覆更加均匀，增加涂覆层的孔隙率，有效的提升对极性电解液的浸润性和吸液率、耐穿刺性能以及热稳定性能，提高锂电池的安全性。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请水性涂覆隔膜的制备方法流程图；

图2为本申请中实施例1的无机陶瓷粉体多级阶梯式粒径分布的柱状图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

第一方面，本申请提供了一种用于隔膜的水性涂覆组合物，所述组合物的组分包括：

无机陶瓷粉体、溶剂和助剂；

所述无机陶瓷粉体的粒径范围呈多级阶梯式分布；其中，

所述无机陶瓷粉体按粒径分为第一无机陶瓷粉体、第二无机陶瓷粉体和第三无机陶瓷粉体；

所述第一无机陶瓷粉体的粒径范围为0.1-0.5um，所述第二无机陶瓷粉体的粒径范围为0.4-1um，所述第三无机陶瓷粉体的粒径范围为0.9-2um；

所述第一无机陶瓷粉体的质量M1、所述第二无机陶瓷粉体的质量M2和所述第三无机陶瓷粉体的质量M3的质量比满足条件：M1：M2：M3＝1-3：4-6：1-3。

本申请中，粉体一般指由许许多多小颗粒物质组成的集合体，具有许多不连续的面，比表面积大，由许多小颗粒物质组成；

溶剂可为水和/或有机溶剂，如甲醇和乙醇。

本申请中，M1∶M2∶M3＝1-3∶4-6∶1-3，其积极作用为有利于增强组合物体系的孔隙率，进而增强涂覆层的吸液能力，以减少热收缩。

作为一种实施方式，所述无机陶瓷粉体的粒径范围为0.1-2um。

作为一种实施方式，按重量份计，所述原料包括：

无机陶瓷粉体：20-40份，溶剂：60-80份，助剂：2.4-6份。

作为一种实施方式，所述无机陶瓷粉体包括如下至少一种：氧化铝、勃姆石、氧化硅、氧化钛。

作为一种实施方式，所述助剂包括：粘结剂、分散剂和增稠剂；

本申请中，粘结剂的作用可理解为粘结作用；

分散剂的作用可理解为分散作用；

增稠剂的作用可理解为为增稠作用。

按重量份计，所述粘结剂为2-5份，所述分散剂为0.2-0.5份，所述增稠剂为0.2-0.5份。

作为一种实施方式，所述粘结剂包括如下至少一种：丁苯橡胶乳液、丙烯腈类、丙烯酸酯乳液。

本申请中，

丁苯橡胶(SBR)，一般又称聚苯乙烯丁二烯共聚物，可具有优异的耐磨、耐热、耐老化及硫化速度；

丙烯酸酯一般属于丙烯酸及其同系物的酯类的总称。比较重要的有丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、2-甲基丙烯酸甲酯和2-甲基丙烯酸乙酯等，能自聚或和其他单体共聚。

作为一种实施方式，所述分散剂包括如下至少一种：

聚丙烯酰胺、脂肪酸聚乙二醇酯、纤维素衍生物。

本申请中，聚丙烯酰胺可以理解为是一种线状的有机高分子聚合物，同时也是一种高分子水处理絮凝剂产品，可以吸附水中的悬浮颗粒，在颗粒之间起链接架桥作用，使细颗粒形成比较大的絮团，并且加快沉淀的速度。

作为一种实施方式，所述增稠剂包括如下至少一种：CMC、膨润土。

本申请中，CMC一般理解为羧甲基纤维素钠的简称。

第二方面，本申请提供一种水性涂覆隔膜，所述涂覆隔膜包括隔膜基底和涂覆层，所述涂覆层由第一方面所述的涂覆组合物经涂覆得到。

本申请中，隔膜基底可选自聚烯烃类隔膜，例如：聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)；

涂覆层单面厚度可为1-5um，基于隔膜基底的涂覆，可以是单面涂覆，也可以是双面涂覆。

第三方面，参阅图1，图1示出了本申请提供一种水性涂覆隔膜的制备方法，该方法用于制备第二方面所述的涂覆隔膜，所述方法包括：

按所述重量份，准备无机陶瓷粉体、溶剂、粘结剂、分散剂和增稠剂；

按所述质量比和粒径范围，将所述无机陶瓷粉体分为第一无机陶瓷粉体、第二无机陶瓷粉体和第三无机陶瓷粉体；

将所述增稠剂与所述溶剂混合，并按第一设定转速和第一设定时间进行搅拌，得到设定粘度的第一混合溶液；

将所述第一混合溶液与第一无机陶瓷粉体、所述第二无机陶瓷粉体以及所述第三无机陶瓷粉体混合，并搅拌至溶解，得到悬浊状态的第二混合溶液；

将所述第二混合溶液与分散剂以及粘结剂混合，并按第二设定转速和第二设定时间进行粉碎，得到所述水性涂覆组合物的涂覆浆料；

将所述涂覆浆料按设定厚度涂覆于所述隔膜基底表面，后干燥，得到所述水性涂覆隔膜。

本申请中，第一设定转速不做特定要求，第一设定时间也不做特定要求，最终使第一混合溶液的粘度满足()即可；

第二设定转速可为300-500r/min，与此对应的第二设定时间可为4-6h；

干燥的条件可包括：在50-70℃的烘箱中干燥4-6h。

下面结合具体的实施例、对比例和相关实验对本申请的高性能质子交换膜燃料电池催化层浆料的制备方法作详细阐述。

实施例1

1)取CMC0.15g，加入16.2g水中，在磁力搅拌机中以500r/min搅拌得到粘稠溶液。

2)如图2所示，选取三种粒径0.3um，0.5um，lum的氧化铝共12g，其中三种粒径材料的质量比为2∶3∶1，加入上述粘稠溶液中搅拌均匀；

3)取聚丙烯酰胺0.15g与(2)中溶液一起加入到球磨罐中，以500r/min转速球磨4h，得到涂覆浆料；

4)将上述浆料通过挤压涂布，涂覆到12um厚的PE膜表面，放入60℃烘箱中6h烘干，得到水性涂覆隔膜。

对比例1

1)取CMC0.15g，加入16.2g水中，在磁力搅拌机中以500r/min搅拌得到粘稠溶液。

2)选取三种粒径0.3um的氧化铝共12g，加入上述粘稠溶液中搅拌均匀；

3)取聚丙烯酰胺0.15g与(2)中溶液一起加入到球磨罐中，以500r/min转速球磨4h，得到涂覆浆料；

4)将上述浆料通过挤压涂布，涂覆到12um厚的PE膜表面，放入60℃烘箱中6h烘干，得到术性涂覆隔膜。

对比例2

1)取CMC0.15g，加入16.2g水中，在磁力搅拌机中以500r/min搅拌得到粘稠溶液。

2)选取三种粒径0.5um的氧化铝共12g，加入上述粘稠溶液中搅拌均匀；

3)取聚丙烯酰胺0.15g与(2)中溶液一起加入到球磨罐中，以500r/min转速球磨4h，得到涂覆浆料；

4)将上述浆料通过挤压涂布，涂覆到12um厚的PE膜表面，放入60℃烘箱中6h烘干，得到水性涂覆隔膜。

对比例3

1)取CMC0.15g，加入16.2g水中，在磁力搅拌机中以500r/min搅拌得到粘稠溶液。

2)选取三种粒径1um的氧化铝共12g，加入上述粘稠溶液中搅拌均匀；

3)取聚丙烯酰胺0.15g与(2)中溶液一起加入到球磨罐中，以500r/min转速球磨4h，得到涂覆浆料；

4)将上述浆料通过挤压涂布，涂覆到12um厚的PE膜表面，放入60℃烘箱中6h烘干，得到水性涂覆隔膜。

对实施例1、对比例1-3中的制备的无机隔膜进行几何特性及力学性能测试，测试结果如下表1所示。

表1

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，所述组合物的组分包括：

无机陶瓷粉体、溶剂和助剂；

所述无机陶瓷粉体的粒径范围呈多级阶梯式分布；其中，

所述无机陶瓷粉体按粒径范围分为第一无机陶瓷粉体、第二无机陶瓷粉体和第三无机陶瓷粉体；

所述第一无机陶瓷粉体的粒径范围为0.1-0.5um，所述第二无机陶瓷粉体的粒径范围为0.4-1um，所述第三无机陶瓷粉体的粒径范围为0.9-2um；

所述第一无机陶瓷粉体的质量M1、所述第二无机陶瓷粉体的质量M2和所述第三无机陶瓷粉体的质量M3的质量比满足条件：M1∶M2∶M3＝1-3∶4-6∶1-3。

2.根据权利要求1所述的用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，所述无机陶瓷粉体的粒径范围为0.1-2um。

3.根据权利要求1或2所述的用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，按重量份计，所述原料包括：

无机陶瓷粉体：20-40份，溶剂：60-80份，助剂：2.4-6份。

4.根据权利要求1或2所述的用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，所述无机陶瓷粉体包括如下至少一种：氧化铝、勃姆石、氧化硅、氧化钛。

5.根据权利要求1所述的用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，所述助剂包括：粘结剂、分散剂和增稠剂；

按重量份计，所述粘结剂为2-5份，所述分散剂为0.2-0.5份，所述增稠剂为0.2-0.5份。

6.根据权利要求5所述的用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，所述粘结剂包括如下至少一种：丁苯橡胶乳液、丙烯腈类、丙烯酸酯乳液。

7.根据权利要求5所述的用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，所述分散剂包括如下至少一种：

聚丙烯酰胺、脂肪酸聚乙二醇酯、纤维素衍生物。

8.根据权利要求5所述的用于隔膜的水性涂覆组合物，其特征在于，所述增稠剂包括如下至少一种：CMC、膨润土。

9.一种水性涂覆隔膜，其特征在于，所述涂覆隔膜包括隔膜基底和涂覆层，所述涂覆层由权利要求1-8任一项所述的涂覆组合物经涂覆得到。

10.一种水性涂覆隔膜的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求9所述的涂覆隔膜，所述方法包括：

按所述重量份，准备无机陶瓷粉体、溶剂、粘结剂、分散剂和增稠剂；

按所述质量比和粒径范围，将所述无机陶瓷粉体分为第一无机陶瓷粉体、第二无机陶瓷粉体和第三无机陶瓷粉体；

将所述增稠剂与所述溶剂混合，并按第一设定转速和第一设定时间进行搅拌，得到设定粘度的第一混合溶液；

将所述第一混合溶液与第一无机陶瓷粉体、所述第二无机陶瓷粉体以及所述第三无机陶瓷粉体混合，并搅拌至溶解，得到悬浊状态的第二混合溶液；

将所述第二混合溶液与分散剂以及粘结剂混合，并按第二设定转速和第二设定时间进行粉碎，得到所述水性涂覆组合物的涂覆浆料；

将所述涂覆浆料按设定厚度涂覆于所述隔膜基底表面，后干燥，得到所述水性涂覆隔膜。

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