[发明专利]锂电池涂布隔膜用水性浆料、锂电池涂布隔膜以及它们的制备方法

说明书

本发明提供了锂电池涂布隔膜用水性浆料、锂电池涂布隔膜以及它们的制备方法。所述锂电池涂布隔膜用水性浆料包含水、填充物和助剂，所述水性浆料的特征在于还包含生物质材料作为所述水性浆料的粘结剂和稳定剂，并且所述生物质材料选自纤维素微纤维(MFC)、纤维素纳米纤维(CNF)和纤维素纳米晶(CNC)中的一种或更多种。

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，更特别地，本发明涉及一种锂电池涂布隔膜用水性浆料、包含由该锂电池涂布隔膜用水性浆料得到的涂布膜的锂电池涂布隔膜，以及它们的制备方法。

背景技术

近年来，锂电池以其高能量密度和良好的循环性能成为了重要的动力电源，并因此广泛地用作笔记本型个人电脑、手机和其它便携式装置的电源。锂电池隔膜是锂电池的重要组成部分之一，其作用是分隔正负极并能同时保证锂离子的正常迁移从而实现充放电。在锂电池出现之初，大部分锂电池使用的隔膜主要是聚烯烃隔膜例如聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或者两者的复合隔膜。聚乙烯或者聚丙烯通过湿法或者干法工艺挤出成膜，并通过拉伸工艺得到让锂离子迁移通过的纳米孔。然而，这些隔膜的缺陷之一是在高温下不够稳定，隔膜受热以后容易发生收缩，过度的收缩造成正负极接触引起短路，从而造成电池起火爆炸。此外，这些隔膜的机械强度往往不高。

为了提高锂电池的安全性，近几年来锂电池行业开始利用陶瓷浆料对聚乙烯或者聚丙烯基膜进行涂布得到涂布膜，由此来提高隔膜的安全性。现有的以聚乙烯为基膜及陶瓷层作为涂布层的产品中，耐高温性能大致在130℃左右。即在130℃，涂布膜的尺寸变化小于3％。提高涂布膜的耐高温性能，特别是瞬间耐高温性能有着重大的意义，可以极大的提高锂电池的安全性能。其中，陶瓷浆料通过涂布、干燥而粘敷于基膜表面，当隔膜受热时，陶瓷层的存在能有效的阻止隔膜收缩，从而能够提高锂电池的安全性。根据粘结陶瓷颗粒使用的粘结剂所溶于的溶剂，陶瓷浆料通常可以分为以有机溶剂为溶剂的油性涂布和以水为溶剂的水性涂布。其中，基于油性溶剂的陶瓷涂布，如PVDF或芳纶(Aramid)涂布，虽然能够耐高氧化电位，但是其成本过高，并且对环境有污染，因而越来越多的基膜涂布开始采取以水为溶剂的水性陶瓷浆料。水性陶瓷浆料以微米至纳米级陶瓷粉末如氧化铝粉末为主体，加入适当的粘结剂和其他成分组成，将上述成分进行高速分散或者研磨后制成陶瓷浆料，陶瓷浆料的固含量一般在20～50％，并且粘度在几十到几百cPs。然而，通常陶瓷具有较高的密度(约4g/cm3)，这远远大于溶剂(例如水)的密度，并且现有使用的陶瓷尺寸都在0.1～10μm范围以内，在溶液中极其容易自聚集和沉降。发生自聚集后，首先形成软团聚，沉降，进而发展为硬团聚，无法使用简单搅拌进行分散，这直接影响到最终涂布产品的品质。

为了解决水性涂布的上述问题，一般采取以下两种方法：一是借助大量的分散剂来帮助陶瓷颗粒实现在水溶液中的分散和稳定，二是使用粘度较高的粘结剂和增稠剂来人为地增高浆料粘度，延缓自聚集的发生。以上方法一既增加工艺成本，又会引入过多对锂电池的循环有副作用的分散剂，从而不利于提高锂电池品质。另外，以上方法二中使用了大量增稠剂，这既会增加成本，同时又使浆料粘度过高，从而会限制涂布线速度，由此不利于提高产能和降低成本。此外，新能源市场对电池能量密度需求日益提高，提高氧化电位是有效地提高电池的能量密度的方式之一。然而，方法二中所使用的粘结剂大多为可溶于水的或者是在水中乳液聚合的高分子聚合物，可耐氧化电位不高，实际上，现有的陶瓷涂布层使用的粘结剂能耐的氧化电位普遍都在4.35V以下。陶瓷涂层耐高氧化电位性能的不足制约了电池能量密度的提高。

而且，水份对锂电池是有害的。微量的水份会导致锂电池的电解液分解，影响锂电池的循环，降低锂电池的容量，并且导致锂电池失效。另外，过高的水份还会导致外包装被副产物腐蚀而导致锂电池接触空气，从而引起起火、爆炸，造成安全事故。所以，严格控制锂电池每一个组件的水份含量对锂电池的安全和性能有着至关重要的影响。然而，现有的锂电池水性涂布隔膜的水份含量都在1500ppm以上，需要经过进一步干燥以后才能使用，这既降低了生产线的效率，又增加了电池的生产成本。