一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層，由以下組分按重量份組成：粘結(jié)劑2％～10％，氮化物陶瓷顆粒10％～40％，增稠劑0.5％～3％，分散劑0.05％～2％，余下為溶劑；并由以下步驟制備得到：(1)漿料的配制：將所述溶劑、分散劑和增稠劑混合攪拌均勻，靜置，消泡后再加入所述氮化物陶瓷顆粒并均勻分散，形成漿料A；(2)高速分散：將漿料A進(jìn)行高速分散后加入粘結(jié)劑，攪拌均勻，真空消泡后過篩，形成漿料B；(3)涂布：將漿料B涂覆在鋰離子電池的正極邊緣和/或負(fù)極表面和/或隔膜上，60℃～120℃烘干。本發(fā)明能有效改善隔膜或極片的吸液和保液能力，提高極片或隔膜的耐氫氟酸和抗熱震性能，起到更好的熱阻隔的效果。
【專利說明】一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池由于具有電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、比能量高、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、工作溫度范圍寬等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此已被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話、筆記本、純電動(dòng)大巴、純電動(dòng)中巴、純電動(dòng)轎車、電動(dòng)自行車、軍用設(shè)備、太陽(yáng)能電站、通訊基站等領(lǐng)域。
[0003]一般來(lái)說，鋰離子電池包括五大組成部分:正極、負(fù)極、隔膜、殼體和電解液。鋰離子電池通過正極和負(fù)極之間發(fā)生的嵌鋰和脫鋰的可逆化學(xué)反應(yīng)提供電能。隔膜處于正負(fù)極片之間，阻止正負(fù)極的直接接觸，防止短路。目前，鋰離子電池隔膜為具有多孔結(jié)構(gòu)的聚烯烴材料，通常為單層聚乙烯、聚丙烯或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯3層復(fù)合隔膜。與通訊產(chǎn)品用鋰離子電池相比，動(dòng)力鋰離子電池具有更高的能量密度和功率密度，在過充和過放或其它非正確使用的極限條件下，電池內(nèi)部的溫度會(huì)急速升高，隔膜發(fā)生收縮或熔斷，導(dǎo)致正負(fù)極接觸而引起內(nèi)部短路，進(jìn)而會(huì)造成電池起火或者爆炸等安全隱患。另外，非極性的聚乙烯或聚丙烯隔膜表面疏水且表面能較低，對(duì)極性的碳酸丙烯酯、碳酸丙烯酯等有機(jī)電解液較難潤(rùn)濕和保持，這直接影響了電池的循環(huán)性能和使用壽命。
[0004]為了提高電池的安全性、使用壽命以及對(duì)電解液的潤(rùn)濕和保持能力，需要對(duì)現(xiàn)有的隔膜或者電極進(jìn)行改進(jìn)。目前，在隔膜或者電極表面進(jìn)行陶瓷涂層涂覆研究是高性能動(dòng)力鋰離子電池重要的研究方向之一，無(wú)機(jī)陶瓷材料具有更高的熔點(diǎn)、好的熱穩(wěn)定性和電化學(xué)惰性。現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)掌握氧化物陶瓷漿料的配制以及在隔膜或電極表面的涂覆，而非氧化物陶瓷材料如氮化物未見報(bào)道。
[0005]眾所周知，氮化物陶瓷材料由于表面羥基的存在，具有很高的極性，有利于液體的潤(rùn)濕，這可以大大改善隔膜和極片表面親液能力和保液能力，提高電池的壽命和循環(huán)性能。另外，由于鋰離子電池電解液中六氟磷酸鋰一旦與微量的水分發(fā)生反應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生氫氟酸氣體，而與氧化物陶瓷材料相比，氮化物陶瓷材料具有更強(qiáng)的耐酸堿性能，因此具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。另外，鋰離子電池在過充或過放的情況下溫度的急劇變化可能會(huì)引起陶瓷層結(jié)構(gòu)的破壞或極片的變形，掉粉，導(dǎo)致尖端放電，產(chǎn)生短路，而氮化硅陶瓷材料具有更好的抗熱震性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層，由以下組分按重量份組成:
[0008]粘結(jié)劑2%?10%，氮化物陶瓷顆粒10%?40%，增稠劑0.5%?3%，分散劑0.05%?2%，余下為溶劑；
[0009]并由以下步驟制備得到:[0010](1)漿料的配制:將所述溶劑、分散劑和增稠劑混合攪拌均勻，靜置，消泡后再加入所述氮化物陶瓷顆粒并均勻分散，形成漿料A ;
[0011](2)高速分散:將漿料A經(jīng)過高速分散后加入粘結(jié)劑，攪拌均勻，真空消泡后過篩，形成漿料B;
[0012](3)涂布:利用涂布設(shè)備將漿料B涂覆在鋰離子電池的正極邊緣和/或負(fù)極表面和/或隔膜上，60°C?120°C烘干。
[0013]在本發(fā)明中，氮化物陶瓷顆粒優(yōu)選為氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、氮化硼中的至少一種，最佳選擇為氮化硅和氮化鋁兩種，上述的氮化物可以單獨(dú)使用，也可以多個(gè)配合使用，或者與其它氧化物陶瓷顆?；旌鲜褂?，其中顆粒的粒徑優(yōu)選為400?800納米。
[0014]需要說明的是，上述氮化物陶瓷顆粒由于粒徑很小，實(shí)際為氮化物陶瓷粉體，尤其是納米級(jí)粒徑的粉體，不易分散，在分散的過程中容易團(tuán)聚，在加入粘結(jié)劑之前，必須要先進(jìn)行高速分散，將團(tuán)聚的氮化物陶瓷團(tuán)聚體打開，使之均勻分散。
[0015]漿料分為油系和水系。
[0016]其中，油系漿料粘結(jié)劑為聚氟代烴類及其衍生物，優(yōu)選聚偏氟乙烯；水系漿料粘結(jié)劑為丁苯橡膠及其改姓聚合物、聚乙烯醇、丙烯腈多元聚合物、聚丙烯酸、丙烯酸系列樹脂粘合劑或丙烯酸酯類粘結(jié)劑中的至少一種，這些粘結(jié)劑可以單獨(dú)使用或配合使用，優(yōu)選丁苯橡膠或丙烯酸脂類粘結(jié)劑。
[0017]油系衆(zhòng)料的分散劑為0-(2-氨丙基)_0’ -(2-甲氧基乙基)聚丙二醇、HypermerKD-UHypermer KD-3、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一種，其中優(yōu)選0-(2-氨丙基)_0’ -(2-甲氧基乙基)聚丙二醇，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為CH3[0CH2CH丄0[CH3CHCH20]nCH2CH3CH_NH2，其中m =1，η = 8，Mw = 600 ;水系漿料的分散劑為亞硅酸鈉、氫氧化四甲基銨、聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚丙烯、檸檬酸胺、聚乙二醇、聚丙烯酸鈉中的至少一種，其中優(yōu)選亞硅酸鈉或檸檬酸胺。
[0018]本發(fā)明可以適當(dāng)?shù)奶砑釉龀韯?，所用的增稠劑可采用本【技術(shù)領(lǐng)域】公認(rèn)的各種增稠齊U，例如油系漿料的鄰苯二甲酸丁卞酯類增稠劑，水系漿料的纖維素衍生物和丙烯酸酯類增稠劑。
[0019]在本發(fā)明中，溶劑采用N-甲基吡咯烷酮或N-N-二甲基甲酰胺或去離子水。
[0020]具體實(shí)現(xiàn)上，為了制備本發(fā)明提供的一種用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層，在加入粘結(jié)劑之前，需要對(duì)所配制的漿料(含溶劑、增稠劑、分散劑和氮化物陶瓷粉體)進(jìn)行高速分散，所用的高速分散機(jī)為立式剪切式微細(xì)分散機(jī)，所述的漿料經(jīng)過四次高速分散，確保將團(tuán)聚體打開，均勻分散。
[0021]作為進(jìn)一步優(yōu)選，氮化物陶瓷涂層的制備步驟具體為:
[0022](1)首先將溶劑、分散劑和增稠劑混合在一起，在真空，冷卻水冷卻的條件下攪拌2?4個(gè)小時(shí)，靜置消泡2?4個(gè)小時(shí)后加入由氮化物陶瓷顆粒制成的粉體，攪拌2?4個(gè)小時(shí)；
[0023](2)然后將攪拌均勻后的漿料通過立式剪切型微細(xì)分散劑進(jìn)行高速分散，再加入粘結(jié)劑，然后在真空，冷卻水冷卻的條件下繼續(xù)攪拌2?4個(gè)小時(shí)，真空消泡2個(gè)小時(shí)后過篩，最后獲得混合均勻的氮化物陶瓷漿料。
[0024](3)最后利用涂布設(shè)備將制備好的漿料涂覆在正極極片的邊緣和/或負(fù)極表面和/或隔膜上，涂布速度控制在2?4米/分鐘，涂布后的極片或者隔膜進(jìn)入烘箱進(jìn)行60?120°C干燥。
[0025]本發(fā)明的有益效果是:
[0026]可以在鋰離子電池的正極邊緣、負(fù)極表面或隔膜上進(jìn)行涂覆，能極大的改善極片或隔膜的吸液和保液能力，提高極片或隔膜的耐氫氟酸和抗熱震性能，能更好的起到熱阻隔的效果，并且可以避免在長(zhǎng)期的循環(huán)的過程中鋰沉積形成的鋰枝晶刺穿隔膜引起的短路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0028]圖1是本發(fā)明應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層實(shí)施例的制備流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]如圖1所示，并結(jié)合以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0030]實(shí)施例1 (以油系漿料為例)
[0031]一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層，由以下組分按重量百分比組成:
[0032]
粘結(jié)劑:聚偏氟乙烯(PVDF)3%分散劑..0-(2-氧丙基)-0’ -(2-曱氧基乙基)聚丙二醇(AMPG) 1 %氮化娃陶瓷粉(Si3N4)34%
[0033]
增稠劑:鄰苯二曱酸丁卞酯(BBP)2 %溶劑:N-曱基吡洛烷酮(NMP)60%
[0034]并由以下步驟制備得到:
[0035](1)將N-甲基吡咯烷酮(NMP)、0-(2-氨丙基)-0’ _(2_甲氧基乙基)聚丙二醇(AMPG)和鄰苯二甲酸丁卞酯(BBP)按比例混合攪拌均勻，在真空的條件下靜置消泡，然后再按比例加入氮化硅陶瓷顆粒(Si3N4)，攪拌均勻后備用；
[0036](2)將上述所制備的漿料轉(zhuǎn)移至立式剪切式微細(xì)分散機(jī)中進(jìn)行高速分散，轉(zhuǎn)速大于6000轉(zhuǎn)/分鐘，電流控制在10A以內(nèi)，漿料在分散機(jī)中高速過4遍，使?jié){料中的團(tuán)聚體完全分散開，然后再按比例加入粘結(jié)劑聚偏氟乙烯(PVDF)，采用機(jī)械攪拌的方式使之均勻分散，如圖1所示，最后將所制備的氮化物陶瓷漿料真空消泡后進(jìn)行過篩，備用；
[0037](3)利用涂布設(shè)備將制備好的氮化物陶瓷漿料涂覆在正極邊緣和/或負(fù)極表面和/或隔膜上，涂布厚度控制在2?10微米之間，涂布速度控制在2?4米/分鐘，涂覆后的氮化硅陶瓷涂層在120°C的烘箱中進(jìn)行烘干。
[0038]實(shí)施例2 (以水系漿料為例)
[0039]一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層，由以下組分按重量百分比組成:
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于鋰離子電池的氮化物陶瓷涂層，由以下組分按重量百分比組成:粘結(jié)劑2%?10%，氮化物陶瓷顆粒10%?40%，增稠劑0.5%?3%，分散劑0.05%?2%，余下為溶劑；并由以下步驟制備得到:(1)漿料的配制:將所述溶劑、分散劑和增稠劑混合攪拌均勻，靜置，消泡后再加入所述氮化物陶瓷顆粒并均勻分散，形成漿料A ;(2)高速分散:將漿料A經(jīng)過高速分散后加入粘結(jié)劑，攪拌均勻，真空消泡后過篩，形成漿料B ；(3)涂布:將漿料B涂覆在鋰離子電池的正極邊緣和/或負(fù)極表面和/或隔膜上，60 V?120°C烘干。
2.如權(quán)利要求1所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述氮化物陶瓷顆粒為氮化硅、氮化鋁、氮化鈦、氮化硼中的任意一種或兩種及以上的混合物。
3.如權(quán)利要求1或2所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述氮化物陶瓷顆粒的粒徑為100?1000納米。
4.如權(quán)利要求3所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述氮化物陶瓷顆粒的粒徑為400?800納米。
5.如權(quán)利要求1所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、丁苯橡膠、聚乙烯醇、丙烯腈多元聚合物、聚丙烯酸、丙烯酸系列樹脂粘合劑、丙烯酸脂類粘結(jié)劑的一種或兩種及以上的混合物。
6.如權(quán)利要求1所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述增稠劑為鄰苯二甲酸丁卞酯類、纖維素衍生物、丙烯酸酯類中的一種或兩種及以上的混合物。
7.如權(quán)利要求6所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述纖維素衍生物為羧甲基纖維素鈉。
8.如權(quán)利要求1所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述分散劑為0-(2-氨丙基)-0’ -(2-甲氧基乙基)聚丙二醇、Hypermer KD_l、Hypermer KD-3、聚乙烯卩比咯燒酮、亞硅酸鈉、氫氧化四甲基銨、聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚丙烯、檸檬酸胺、聚乙二醇、聚丙烯酸鈉的一種或兩種及以上的混合物。
9.如權(quán)利要求1所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述溶劑為N-甲基吡咯烷酮或N-N-二甲基甲酰胺或去離子水。
10.如權(quán)利要求1所述的氮化物陶瓷涂層，其特征在于:所述制備步驟具體如下:(1)首先將溶劑、分散劑和增稠劑混合在一起，在真空，冷卻水冷卻的條件下攪拌2?4個(gè)小時(shí)，靜置消泡2?4個(gè)小時(shí)后加入由氮化物陶瓷顆粒制成的粉體，攪拌2?4個(gè)小時(shí)；(2)然后將攪拌均勻后的漿料通過立式剪切型微細(xì)分散機(jī)進(jìn)行高速分散，再加入粘結(jié)齊U，然后在真空、冷卻水冷卻的條件下繼續(xù)攪拌2?4個(gè)小時(shí)，真空消泡2個(gè)小時(shí)后過篩，最后獲得混合均勻的氮化物陶瓷漿料。(3)最后利用涂布設(shè)備將制備好的漿料涂覆在正極極片的邊緣和/或負(fù)極表面和/或隔膜上，涂布速度控制在2?4米/分鐘，涂布后的極片或者隔膜進(jìn)入烘箱進(jìn)行60?120°C干燥。
【文檔編號(hào)】H01M4/139GK103647034SQ201310651905
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】張江偉, 劉成士, 宮璐, 王晨旭 申請(qǐng)人:合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源股份公司