一种锂离子电池隔膜涂料及其制备方法与应用

本发明涉及锂电池隔膜涂料，尤其涉及一种锂离子电池隔膜涂料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、锂离子电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正负极之间的移动进行工作，由于其能量密度高、输出电压高、无记忆效应、循环性能优异、环境友好等特点，已经被广泛应用于移动通讯、数码产品、电动工具等中小型电器中，同时随着国内外对新能源汽车的大力推广，锂离子电池因其独特的优势成为电动汽车动力能源的首选。

2、锂离子电池除了电池外壳外还包括正极、负极、隔膜与电解液，其中隔膜是电池中的关键部件之一，影响着整个电池的电化学性能和耐用性，而隔膜的主要功能是放置正极与负极接触并保证锂离子的有效传输，使电池的氧化还原反应区域稳定。然而传统的聚烯烃隔膜如聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)等，耐热性均较差，在电池工作的高温环境下容易出现收缩造成电池短路。目前常用的聚酰亚胺纤维膜虽然耐热性得以改善，但其孔隙调控不佳，对电解液的润湿性也亟需改进。

3、隔膜的润湿性与隔膜的孔隙率、孔结构和表面性质相关，良好的电解液润湿性有利于增强隔膜与电解液之间的亲和力，进而提高离子导电性，改善电池的电化学性能。对隔膜表面下涂覆处理是一种改善隔膜对电解液润湿性的有效方法，通过在隔膜基膜表面涂覆一层例如勃姆石、氧化铝等亚微米级的无机陶瓷颗粒，能够大幅提高隔膜的热稳定性、降低高温收缩率、避免隔膜大幅收缩造成的极片外露短路，同时能够提高隔膜对电解液的浸润吸液保液能力，能够大幅度提高电池的使用寿命。

4、然而，目前所使用的例如勃姆石、氧化铝等亚微米级无机陶瓷颗粒在涂覆隔膜及使用过程中，颗粒容易进入到隔膜内阻塞隔膜孔隙，极大地影响了隔膜的润湿性和电池整体的电化学性能，而使用纯一维纳米陶瓷材料作为隔膜涂层，则涂层的力学性能不足，与隔膜的粘结性不强。因此亟需提供一种方案改善上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种锂离子电池隔膜涂料及其制备方法与应用，通过向涂料中加入氮氧化硅组合物，当涂料在隔膜表面成型为涂层时，由于氮氧化硅表面具有丰富的羟基与胺基，能够显著提高隔膜的润湿性，同时氮氧化硅颗粒能够被锚定在氮氧化硅纳米线所形成的骨架网络中，从而避免氮氧化硅颗粒阻塞隔膜孔隙。

2、第一方面，本发明提供一种锂离子电池隔膜涂料，包括质量分数为16％-35％的氮氧化硅组合物，且所述氮氧化硅组合物包括相互混杂的氮氧化硅颗粒与氮氧化硅纳米线。氮氧化硅表面具有丰富的羟基和胺基，当含有氮氧化硅的涂料在隔膜表面成型后能够显著提高隔膜的润湿性，从而提高应用这一隔膜的锂离子电池的电化学性能。

3、可选地，所述氮氧化硅组合物由硅粉、白炭黑和石英粉混合后经固气氮化反应制得。采用一步法直接制备氮氧化硅组合物，有利于提高氮氧化硅颗粒与氮氧化硅纳米线的混合均匀性，同时在氮化反应过程中原位生长出来的氮氧化硅颗粒与纳米线之间存在粘接，从而有利于提高氮氧化硅颗粒在氮氧化硅纳米线所形成三维骨架内的位置稳定性。

4、可选地，所述氮氧化硅组合物的制备方法包括以下步骤：将硅粉、白炭黑和石英粉以摩尔比3∶(0.2-0.8)∶(0.8-0.2)搅拌混合制得混合粉末；将混合粉末在1380-1450℃的氮气气氛下进行氮化处理后制得氮氧化硅组合物。在制备氮氧化硅组合物的过程中，通过调节硅粉、白炭黑和石英粉的混合比例，能够调节最终制备所得氮氧化硅组合物中氮氧化硅颗粒与氮氧化硅纳米线的比例。

5、可选地，所述氮氧化硅组合物中所述氮氧化硅颗粒与所述氮氧化硅纳米线的质量比为0.25-5。

6、可选地，所述氮氧化硅颗粒的平均粒径为0.1-2μm；和/或，所述氮氧化硅纳米线的直径为20-100nm、长径比为10-100。

7、可选地，还包括质量分数为1.63％-8.17％的功能助剂，所述功能助剂包括分散剂、非硅消泡剂、表面活性剂、防沉剂、稳定剂和粘接剂。

8、可选地，所述分散剂的质量分数为0.01％-0.15％，所述非硅消泡剂的质量分数为0.01％-0.3％，所述表面活性剂的质量分数为0.02％-0.35％，所述防沉剂的质量分数为0.01％-0.15％，所述稳定剂的质量分数为0.08％-0.22％，所述粘接剂的质量分数为1.5％-7％。

9、可选地，所述分散剂包括2-丙烯酸盐、铵盐分散剂(sn-5027)、聚丙烯酸铵盐(byk-lpc20992)中的至少一种；和/或，所述非硅消泡剂包括改性聚醚型表面处理消泡剂(afn-140t)、byk-lpd21651中的至少一种；和/或，所述表面活性剂包括byk-lpc20990、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(aes)中的至少一种；和/或，所述防沉剂包括膨润土、有机膨润土(hy-738b)、laponite rd中的至少一种；和/或，所述稳定剂包括羧甲基纤维素钠；和/或，所述粘接剂包括聚丙烯酸酯、有机硅胶粘接剂中的至少一种。

10、第二方面，本发明还提供一种锂离子电池隔膜涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将助剂浆料与氮氧化硅组合物研磨共混后，加入粘接剂研磨共混制得锂离子电池隔膜涂料；其中，所述助剂浆料中分散有分散剂、非硅消泡剂、表面活性剂、防沉剂和稳定剂。

11、第三方面，本发明还提供一种锂离子电池隔膜涂料的在锂离子电池隔膜中的应用，包括以下步骤：将锂离子电池隔膜涂料均匀涂覆在锂离子电池隔膜的至少一个侧面后干燥处理，制得表面成型有锂离子电池隔膜涂层的锂离子电池隔膜。

12、可选地，将锂离子电池隔膜涂料均匀涂覆并固化成型在锂离子电池隔膜的至少一个侧面时，所述锂离子电池隔膜的涂层厚度为1-5μm。

13、可选地，所述锂离子电池隔膜包括聚乙烯基膜、聚丙烯基膜、聚酰亚胺基膜、聚乙烯无纺布基膜、聚丙烯无纺布基膜、聚酰亚胺无纺布基膜中的至少一种或任意组合形成的复合基膜。

技术特征：

1.一种锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，包括质量分数为16％-35％的氮氧化硅组合物，且所述氮氧化硅组合物包括相互混杂的氮氧化硅颗粒与氮氧化硅纳米线。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，所述氮氧化硅组合物由硅粉、白炭黑和石英粉混合后经固气氮化反应制得。

3.根据权利要求2所述的锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，所述氮氧化硅组合物的制备方法包括以下步骤：将硅粉、白炭黑和石英粉以摩尔比3∶(0.2-0.8)∶(0.8-0.2)搅拌混合制得混合粉末；将混合粉末在1380-1450℃的氮气气氛下进行氮化处理后制得氮氧化硅组合物。

4.根据权利要求1至3任一所述的锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，所述氮氧化硅组合物中所述氮氧化硅颗粒与所述氮氧化硅纳米线的质量比为0.25-5。

5.根据权利要求1至3任一项所述的锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，所述氮氧化硅颗粒的平均粒径为0.1-2μm；和/或，所述氮氧化硅纳米线的直径为20-100nm、长径比为10-100。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，还包括质量分数为1.63％-8.17％的功能助剂，所述功能助剂包括分散剂、非硅消泡剂、表面活性剂、防沉剂、稳定剂和粘接剂。

7.根据权利要求6所述的锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，所述分散剂的质量分数为0.01％-0.15％，所述非硅消泡剂的质量分数为0.01％-0.3％，所述表面活性剂的质量分数为0.02％-0.35％，所述防沉剂的质量分数为0.01％-0.15％，所述稳定剂的质量分数为0.08％-0.22％，所述粘接剂的质量分数为1.5％-7％。

8.根据权利要求6至7任一项所述的锂离子电池隔膜涂料，其特征在于，所述分散剂包括2-丙烯酸盐、铵盐分散剂、聚丙烯酸铵盐中的至少一种；和/或，所述非硅消泡剂包括改性聚醚型表面处理消泡剂、byk-lpd21651中的至少一种；和/或，所述表面活性剂包括byk-lpc20990、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠中的至少一种；和/或，所述防沉剂包括膨润土、有机膨润土、laponite rd中的至少一种；和/或，所述稳定剂包括羧甲基纤维素钠；和/或，所述粘接剂包括聚丙烯酸酯、有机硅胶粘接剂中的至少一种。

9.一种如权利要求6至8任一项所述锂离子电池隔膜涂料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将助剂浆料与氮氧化硅组合物研磨共混后，加入粘接剂研磨共混制得锂离子电池隔膜涂料；其中，所述助剂浆料中分散有分散剂、非硅消泡剂、表面活性剂、防沉剂和稳定剂。

10.一种如权利要求1至8任一项所述锂离子电池隔膜涂料在锂离子电池隔膜中的应用，其特征在于，包括以下步骤：将锂离子电池隔膜涂料均匀涂覆在锂离子电池隔膜的至少一个侧面后干燥处理，制得表面成型有锂离子电池隔膜涂层的锂离子电池隔膜。

11.根据权利要求10所述的应用，其特征在于，将锂离子电池隔膜涂料均匀涂覆并固化成型在锂离子电池隔膜的至少一个侧面时，所述锂离子电池隔膜的涂层厚度为1-5μm。

技术总结本发明提供了一种锂离子电池隔膜涂料及其制备方法与应用，涉及锂电池隔膜涂料技术领域。本发明提供的锂离子电池隔膜涂料包括质量分数为16％‑35％的氮氧化硅组合物，且所述氮氧化硅组合物包括相互混杂的氮氧化硅颗粒与氮氧化硅纳米线。本发明通过向涂料中加入氮氧化硅组合物，当涂料在隔膜表面成型为涂层时，由于氮氧化硅表面具有丰富的羟基与胺基，能够显著提高隔膜的润湿性，同时氮氧化硅颗粒能够被锚定在氮氧化硅纳米线所形成的骨架网络中，从而避免氮氧化硅颗粒阻塞隔膜孔隙。技术研发人员：尹传强,李晓敏,侯欣然,徐航,陈宇洛,刘荟聪,阳玉洁,彭增裕,李舒,周浪受保护的技术使用者：南昌大学共青城光氢储技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/6/30