[发明专利]一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂

说明书

本发明提供了一种用于锂离子电池陶瓷隔膜的水性粘结剂的制备方法。本粘结剂作为成膜物质，可与陶瓷粉体、添加剂一起配置成陶瓷浆料。将该陶瓷浆料涂布于隔膜基材上，干燥后即可得到比普通有机隔膜热性能更加优异的陶瓷涂覆隔膜。胶膜在150℃仍具有稳定的动态力学性能，180℃的收缩率<3%，乳液涂膜固含量≥50%,稳定储存时间＞300天。

技术领域

本发明涉及电池制造领域，具体地，涉及一种锂离子电池陶瓷隔膜用水性粘结剂。

背景技术

采用液体电解液的化学电源体系如锂离子电池等需要采用隔膜材料阻隔正、负极，避免短路。隔膜材料主要是以聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等为主要成分的含有微孔结构的聚合物膜或无纺布。液体电解液(一般是含有电解质盐的碳酸酯类有机溶剂)存在于微孔结构中，实现离子在正、负极之间的传导。隔膜与液体电解液共同构成了电解质体系。

随着电动汽车等领域的发展，对于锂离子电池等化学电源体系的容量和功率提出了更高的要求，因此电池的安全性也越来越受到重视。锂离子电池的安全特性在很大程度上取决于所选用的隔膜材料。由于聚合物本身的特点，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，但在高温条件下则表现出较大的热收缩，从而导致正、负极接触并迅速积聚大量热，诸如PP/PE复合隔膜可以在较低温度(约120℃)首先发生PE熔化阻塞聚合物中的微孔，阻断离子传导而PP仍起到支撑的作用防止电极直接接触，但是由于PP的熔解温度也仅有约150℃，当温度迅速上升超过PP的熔解温度时，隔膜熔解会造成大面积短路并引发热失控，加剧热量积累，产生电池内部高气压，引起电池燃烧或爆炸。电池内部短路是锂离子电池安全性的最大隐患。为了满足大容量锂离子电池发展的需要，开发高安全性隔膜已成为行业的当务之急。

陶瓷隔膜是在聚烯烃微孔膜基础上发展起来的新型高安全性隔膜材料，它是在聚烯烃隔膜或其他聚合物电解质的单面或双面涂布以氧化物如Al₂O₃、SiO₂等无机粉体所形成的一种有机无机复合的功能性隔膜材料。陶瓷隔膜耦合了传统聚烯烃隔膜较好的机械性能，以及无机粉体良好的耐温性能及与电解液的亲和性能。Al₂O₃、SiO₂等无机粉体在聚烯烃隔膜或其他聚合物电解质表面形成的无机颗粒层为陶瓷涂层，陶瓷涂层的存在显著提高了隔膜在高温条件下的维度稳定性和保液性能，同时保持了较好的机械性能。特别对于以聚烯烃微孔膜为基材的陶瓷隔膜，具有更为优异的机械强度和隔膜热关断作用，更适用于大容量锂离子动力电池的制造和使用。无机粉体的引入还会起到稳定电解质/电极界面的作用，提高电解质体系的电化学窗口。 目前，陶瓷隔膜的制备方式主要是将无机粉体(主要是纳米或亚微米的氧化物粉末，如Al₂O₃、SiO₂、TiO₂等)、粘结剂等分散在溶剂中形成浆料，再通过流延法或浸渍法在聚烯烃隔膜基材表面形成陶瓷涂层。

陶瓷隔膜的热收缩性能，对电解液的吸液率，浸润性以及应用了陶瓷隔膜的锂离子电池的离子电导率，容量保持和倍率性能受到无机粉体，粘结剂以及制作工艺的影响。锂离子电池在不同的温度下会发生相应的反应，当锂离子电池的温度为110℃时，锂离子电池中的固体电解质界面膜(SEI膜)会分解，当锂离子电池的温度为110～150℃时，锂离子电池中的LiC₆会与电解液发生反应，当锂离子电池的温度为170℃时， 锂离子电池中的Li金属会析出，同时高温会引起锂离子电池燃烧甚至爆炸。因此高温稳定性是陶瓷隔膜最重要的特点，也是陶瓷隔膜制作的首要目的。陶瓷隔膜应用的无机粉体通常为高温稳定纳米或亚微米的无机氧化物粉末，如Al₂O₃、SiO₂、TiO₂，而粘结剂种类繁多，熔化温度不尽相同，粘结剂自身的热收缩同样会导致陶瓷隔膜热收缩，因此粘结剂的选择成为了决定陶瓷隔膜性能优劣的关键因素。