专利名称：一种纳米涂层隔膜材料及其成型方法
技术领域：
本发明涉及一种复合电池隔膜材料，特别是二次锂离子电池用隔膜材料及其成型方法，属于锂离子电池制造技术领域。
背景技术：
锂离子电池隔膜是一种具有纳米级微孔的高分子功能材料。隔膜的主要作用是隔开电池正极和负极，同时传输电解液，具有电子绝缘性和离子导电性。隔膜的性能决定了电池的界面结构、电解质的保持性和电池内阻等，进而影响电池的容量、循环性能、充放电电流密度等特性。
随着环保和能源问题的日益突出，国内外对可充电锂离子二次电池及动力电池的研究也越来越受到重视。与铅酸、镍氢电池相比，锂离子电池具有高能量比、长循环寿命、无记忆效应等优势。因此，优质隔膜的研发显得格外重要，其中对隔膜的孔隙率，孔径分布以及耐温性提出了更高的要求。锂离子电池隔膜可以分为微孔膜、无机纤维非织造膜(玻纤和陶瓷纤维)和复合膜等。现有聚乙烯和聚丙烯隔膜存在耐热性能差，高温热收缩明显，超过1500°C后会发生熔化问题；力学性能较差，不能保证完全隔绝正负极；内在的憎水性，使得电解液润湿性差，离子通过性差。聚烯烃电池隔膜的孔径一般在10-100纳米之间，孔隙率一般在35-50%之间。当放电速率很高时，只有一部分电池能量形成外部动力，其它能量被困在电池内，或发热损耗，无法满足汽车加速和爬坡等的行使需求。
发明内容
本发明所要解决的是现有电池隔膜耐热性能差、孔径小、空隙率低、离子通过性差的问题。为了解决上述问题，本发明提供了一种纳米涂层隔膜材料，其特征在于，该隔膜材料为内部填充无机纳米颗粒、表面涂层的熔喷非织造复合材料，其面密度为30-60g/m2，厚度为30-70 u m,平均孔径为0. 4-1 u m,孔隙率为50% -70% 优选的，所述熔喷非织造材料的面密度为15_35g/m2，孔隙率为70-90%，纤维平均直径为I. 5-4 u m。本发明大大降低了熔喷非织造材料的孔径尺寸，并具有优良的耐热性，其内部填充的无机纳米颗粒在使用过程中也不容易脱落。本发明还提供了上述纳米涂层隔膜材料的成型方法，其特征在于，具体步骤如下第一步采用刮涂机将无机纳米颗粒浆液料刮涂到熔喷非织造材料上，无机纳米颗粒浆液的固含量为10-30%，刮涂间隙为0. 2-0. 6mm，上胶量为10_20g/m2，速度为l_30m/min ；第二步将第一步刮涂后的熔喷非织造材料送入温度为90-100°C的烘燥机中烘l_2min ；第三步将第二步得到的烘干后的熔喷非织造材料送入温度为40-160°C、轧辊间隙为25-60 iim、速度为l-30m/min的热轧机中热轧；第四步将第三步得到的热轧后的熔喷非织造材料送入双面涂层机中涂层，涂层湿厚度为50-100 iim，涂层剂为固含量为10-15%的PVDF类或丙烯酸类水溶性粘合剂；第五步将第四步得到的涂层后的熔喷非织造材料送入烘燥机中烘干，烘干温度为 80-100。。，烘 l-2min ；
第六步将第五步得到的烘干后的熔喷非织造材料送入温度为95_160°C的烘燥机中焙烘I. 5-3min,即得到纳米涂层隔膜材料，其面密度为30_60g/m2，厚度为30-70 y m，平均孔径为0. 4-1 u m,孔隙率为50% -70%。优选的，所述第一步中熔喷非织造材料的面密度为15_35g/m2，孔隙率为70-90%，纤维平均直径为I. 5-4 Um0优选的，所述第一步中的熔喷非织造材料为聚丙烯、聚酯或聚酰胺。优选的，所述第一步中的无机纳米颗粒浆料为固含量为10-30%，颗粒粒径为25-60nm的水溶性Zr02、MgO、SiO2, TiO2或Al2O3无机纳米颗粒浆料。优选的，所述第四步中的涂层剂为PVDF类、丙烯酸类水溶性粘合剂中的任意一种。本发明提供了一种纳米颗粒填充，表面涂层的复合电池隔膜材料，具有孔径小、强力高、耐温性好等优点。本发明所述的电池隔膜材料除了可以用做锂离子电池隔膜外，还可以用做镍氢电池隔膜和过滤材料等。
具体实施例方式为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。实施例1-5中的刮涂机采用上海华迪机械有限公司生产的RT系列热熔胶涂布机；烘燥机采用常熟市伟成非织造成套设备有限公司生产的FZH-I热风烘箱；热轧机采用安德里兹寇司德公司生产的S-Roll轧机；双面涂层机采用常熟市伟成非织造成套设备有限公司生产的FZ-浸溃非织造布生产线。实施例1-5制得产品的性能测试方法为根据标准FZ/T 60003测试隔膜材料的面密度；根据标准GB/T 3923. 1-1997测试隔膜材料的厚度；根据GTT TM017-2010-纺织品(非织造材料)孔隙特征测试隔膜材料的平均孔径；采用贝士德仪器科技(北京)有限公司生产的3H-2000TD1-K型全自动开孔及闭孔率分析仪测试隔膜材料的孔隙率。实施例II)将粒径为25nm、固含量为20%的1102纳米颗粒浆液料(购自杭州万景新材料有限公司，VK-T31)通过刮涂机涂到面密度为15g/m2，孔隙率为70%，纤维平均直径为2. 5 y m的聚丙烯熔喷非织造材料(芜湖吉豪净化技术有限公司，液体过滤材料)上，控制刮涂间隙为0. 2mm,上胶量为10g/m2,速度为30m/min ；2)将刮涂后的熔喷非织造材料送入温度为90°C的烘燥机中烘Imin ；3)将烘干的熔喷非织造材料送入温度为40°C、轧辊间隙为25 u m、速度为30m/min的热轧机中热轧；4)将热轧后的熔喷非织造材料送入双面涂层机中涂层，涂层湿厚度为50i!m，涂层剂采用将固含量为15%的由PVDF共聚物和丙烯酸树脂组成的水性粘合剂(阿科玛公司，Kynar Aquatec )；5)将涂层后的熔喷非织造材料进入烘燥机中烘lmin，烘干温度为80°C ；6)将烘干后的熔喷非织造材料送入温度为95°C的烘燥机中焙烘I. 5min,即得到面密度为30g/m2，厚度为30iim，平均孔径为0. 6 ym，孔隙率为65%的纳米涂层隔膜材料。实施例2I)将粒径为50nm、固含量为20%的SiO2纳米颗粒浆液料(杭州万景新材料有限公司，VK-SOlW纳米二氧化硅浆液)通过刮涂机涂到面密度为35g/m2，孔隙率为70%，纤维 平均直径为I. 5 iim的聚酯熔喷非织造材料(安徽奥宏超细滤材有限公司，PET熔喷布)上，控制刮涂间隙为0. 6mm，上胶量为15g/m2，速度为20m/min ；2)将刮涂后的熔喷非织造材料送入温度为95°C的烘燥机中烘I. 5min ；3)将烘干的熔喷非织造材料送入温度为150°C、轧辊间隙为35 U m、速度为20m/min的热轧机中热轧；4)将热轧后的熔喷非织造材料送入双面涂层机中涂层，涂层湿厚度为70i!m，涂层剂为固含量为15%的丙烯酸类粘合剂(成都茵地乐电源科技有限公司，LA132水性电极粘合剂)；5)将涂层后的熔喷非织造材料进入烘燥机中烘I. 5min，烘干温度为90°C ；6)将烘干后的熔喷非织造材料进入温度为150°C的烘燥机中焙烘2min，即得到面密度为55g/m2，厚度为43iim，平均孔径为0. 4 ym，孔隙率为50%的纳米涂层隔膜材料。实施例3I)将粒径为50nm、固含量为30%的ZrO2纳米颗粒浆液料(杭州万景新材料有限公司，VK-R80W)通过刮涂机涂到面密度为25g/m2，孔隙率为90%，纤维平均直径为I. 5iim的尼龙6熔喷非织造材料(北京轩羽鸿科技有限公司，IOA型)上，控制刮涂间隙为0. 6mm,上胶量为20g/m2，速度为lm/min ；2)将刮涂后的熔喷非织造材料送入温度为90°C的烘燥机中烘2min ；3)将烘干的熔喷非织造材料送入温度为160°C、轧辊间隙为40 U m、速度为lm/min的热轧机中热轧；4)将热轧后的熔喷非织造材料送入双面涂层机中涂层，涂层湿厚度为100 ym，涂层剂为经蒸馏水稀释的固含量为10%的丙烯酸类粘合剂(成都茵地乐电源科技有限公司，LA132水性电极粘合剂)；5)将涂层后的熔喷非织造材料进入烘燥机中烘2min，烘干温度为90°C ；6)将烘干后的熔喷非织造材料进入温度为150C的烘燥机中焙烘I. 5min,即得到面密度为60g/m2，厚度为70iim，平均孔径为0. 5 ym，孔隙率为50%的纳米涂层隔膜材料。实施例4I)将粒径为60nm、固含量为20%的Al2O3纳米颗粒浆液料(杭州万景新材料有限公司，VK-L30W)通过刮涂机涂到面密度为30g/m2，孔隙率为85%，纤维平均直径为3 y m的聚丙烯熔喷非织造材料(芜湖吉豪净化技术有限公司，液体过滤材料)上，控制刮涂间隙为0. 3mm，上胶量为20g/m2，速度为20m/min ；2)将刮涂后的熔喷非织造材料送入温度为90C的烘燥机中烘干Imin ；3)将烘干的熔喷非织造材料送入温度为40C、轧辊间隙为60 u m、速度为20m/min的热轧机中热轧；4)将热轧后的熔喷非织造材料送入双面涂层机中涂层，涂层湿厚度为90_，涂层剂为经蒸馏水稀释至固含量为20%的由PVDF共聚物和丙烯酸树脂组成的水性粘合剂(阿科玛公司，Kynar Aquatec )；5)将涂层后的熔喷非织造材料进入烘燥机中烘干lmin，烘干温度为80C ；6)将烘干后的熔喷非织造材料进入温度为95°C的烘燥机中焙烘2min，即得到面 密度为60g/m2，厚度为70 iim，平均孔径为Iii m，孔隙率为70%的纳米涂层隔膜材料。实施例5I)将粒径为30nm、固含量为20%的MgO纳米颗粒浆液料(杭州万景新材料有限公司，VK-Mg30C)通过刮涂机涂到面密度为30g/m2，孔隙率为85%，纤维平均直径为3iim的聚酯熔喷非织造材料(安徽奥宏超细滤材有限公司，PET熔喷布)上，控制刮涂间隙为0. 3mm,上胶量为20g/m2，速度为20m/min ；2)将刮涂后的熔喷非织造材料送入温度为100C的烘燥机中烘干Imin ；3)将烘干的熔喷非织造材料送入温度为120C、轧辊间隙为30 u m、速度为20m/min的热轧机中热轧；4)将热轧后的熔喷非织造材料送入双面涂层机中涂层，涂层湿厚度为90i!m，涂层剂为经蒸馏水稀释至固含量为20%的由PVDF共聚物和丙烯酸树脂组成的水性粘合剂
(阿科玛公司，Kynar Aquatec )；5)将涂层后的熔喷非织造材料进入烘燥机中烘干lmin，烘干温度为100°C ；6)将烘干后的熔喷非织造材料进入温度为150°C的烘燥机中焙烘2min，即得到面密度为60g/m2，厚度为50iim，平均孔径为0. 8 ym，孔隙率为50%的纳米涂层隔膜材料。
权利要求
1.一种纳米涂层隔膜材料，其特征在于，该隔膜材料为内部填充无机纳米颗粒、表面涂层的熔喷非织造复合材料，其面密度为30-60g/m2，厚度为30-70 μ m,平均孔径为O. 4-1 μ m，孔隙率为50% -70%。
2.如权利要求I所述的纳米涂层隔膜材料，其特征在于，所述熔喷非织造材料的面密度为15-35g/m2，孔隙率为70-90%，纤维平均直径为I. 5-4 Um0
3.权利要求I所述的纳米涂层隔膜材料的成型方法，其特征在于，具体步骤如下 第一步采用刮涂机将无机纳米颗粒浆液料刮涂到熔喷非织造材料上，无机纳米颗粒浆液的固含量为10-30%，刮涂间隙为O. 2-0. 6mm，上胶量为10_20g/m2，速度为l_30m/min ； 第二步将第一步刮涂后的熔喷非织造材料送入温度为90-100°C的烘燥机中烘l_2min ； 第三步将第二步得到的烘干后的熔喷非织造材料送入温度为40-160°C、轧辊间隙为25-60 μ m、速度为l_30m/min的热轧机中热轧； 第四步将第三步得到的热轧后的熔喷非织造材料送入双面涂层机中涂层，涂层湿厚度为50-100 μ m，涂层剂为固含量为10-15%的PVDF类或丙烯酸类水溶性粘合剂； 第五步将第四步得到的涂层后的熔喷非织造材料送入烘燥机中烘干，烘干温度为80-100。。，烘 l-2min ； 第六步将第五步得到的烘干后的熔喷非织造材料送入温度为95-160°C的烘燥机中焙烘I. 5-3min,即得到纳米涂层隔膜材料，其面密度为30_60g/m2，厚度为30-70 μ m,平均孔径为O. 4-1 μ m,孔隙率为50% -70% ο
4.如权利要求3所述的纳米涂层隔膜材料的成型方法，其特征在于，所述第一步中熔喷非织造材料的面密度为15-35g/m2，孔隙率为70-90%，纤维平均直径为I. 5-4 Um0
5.如权利要求3所述的纳米涂层隔膜材料的成型方法，其特征在于，所述第一步中的熔喷非织造材料为聚丙烯、聚酯或聚酰胺。
6.如权利要求3所述的纳米涂层隔膜材料的成型方法，其特征在于，所述第一步中的无机纳米颗粒浆料为固含量为10-30%，颗粒粒径为25-60nm的水溶性ZrO2、MgO、SiO2、TiO2或Al2O3无机纳米颗粒衆料。
7.如权利要求3所述的纳米涂层隔膜材料的成型方法，其特征在于，所述第四步中的涂层剂为PVDF类、丙烯酸类水溶性粘合剂中的任意一种。
全文摘要
本发明公开了一种纳米涂层隔膜材料及其成型方法。所述的纳米涂层隔膜材料为内部填充无机纳米颗粒、表面涂层的熔喷非织造复合材料，其面密度为30-60g/m2，厚度为30-70μm，平均孔径为0.4-1μm，孔隙率为50％-70％。成型方法为采用刮涂机将无机纳米颗粒浆液料刮涂到熔喷非织造材料上；然后依次经过烘干、热轧、涂层、再次烘干、焙烘，得到纳米涂层隔膜材料。本发明提供了一种纳米颗粒填充，表面涂层的复合电池隔膜材料，具有孔径小、强力高、耐温性好等优点。本发明所述的电池隔膜材料除了可以用做锂离子电池隔膜外，还可以用做镍氢电池隔膜和过滤材料等。
文档编号B32B38/16GK102969472SQ20121048569
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者王洪, 靳向煜, 吴海波, 张艳 申请人:东华大学