本發(fā)明屬于涂料，具體涉及一種功能化涂料、功能化涂料隔膜及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

2、隨著鋰離子電池在高能量密度、高功率密度應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，隔膜作為電池的重要組成部分，其性能直接影響電池的安全性、循環(huán)壽命和倍率性能。傳統(tǒng)聚烯烴隔膜雖然具有較好的機械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，但其熱穩(wěn)定性較差，且在高溫下容易收縮，導(dǎo)致電池短路。此外，傳統(tǒng)隔膜的離子電導(dǎo)率較低，限制了電池的快速充放電性能。

3、近年來，研究者們通過在隔膜表面涂覆功能化涂層來提高其性能。例如，在隔膜表面涂覆陶瓷顆粒，提高隔膜的熱穩(wěn)定性和機械強度；在隔膜表面涂覆聚合物涂層，改善隔膜的電解液浸潤性和離子電導(dǎo)率。然而，這些方法仍然存在一些問題，如涂層的均勻性較差、與基膜的附著力不足，以及在高倍率充放電時的鋰枝晶抑制效果有限。

4、因此，開發(fā)一種具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性、高離子電導(dǎo)率且能有效抑制鋰枝晶生長的功能化涂層隔膜，是鋰離子電池領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種功能化涂料、功能化涂料隔膜及其制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明通過在隔膜表面涂覆導(dǎo)電添加劑、納米纖維素和陶瓷粉體形成復(fù)合涂層，形成具有多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高了隔膜的熱穩(wěn)定性、離子電導(dǎo)率和鋰枝晶抑制能力。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明的第一個方面，提供一種功能化涂料，以重量份數(shù)計，包括：

4、陶瓷顆粒800-1200份，納米纖維素150-300份，導(dǎo)電添加劑50-200份，溶劑4000-6000份。

5、為解決傳統(tǒng)隔膜在熱穩(wěn)定性和離子電導(dǎo)率方面的不足，本發(fā)明提供了一種納米纖維素-導(dǎo)電添加劑-陶瓷粉體的功能化涂料、功能化涂層隔膜及其制備方法。本發(fā)明通過在隔膜表面涂覆納米纖維素、導(dǎo)電添加劑和陶瓷粉體形成的復(fù)合涂層，形成了具有多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高了隔膜的熱穩(wěn)定性、離子電導(dǎo)率和鋰枝晶抑制能力。

6、在該實施方式的一些實施例中，所述功能化涂料還包括粘結(jié)劑，粘結(jié)劑加入后，功能化涂料的粘度為500-2000mpa·s。

7、在該實施方式的一些實施例中，所述粘結(jié)劑包括聚偏氟乙烯(pvdf)、羧甲基纖維素(cmc)、丁苯橡膠和聚四氟乙烯中的任意一種。

8、在該實施方式的一些實施例中，所述功能化涂料還包括：潤濕劑0.1-0.5份，分散劑1-5份，增稠劑1-5份。

9、優(yōu)選的，所述潤濕劑包括但不限于烷基酚聚氧乙烯醚類化合物或烷基苯磺酸鈉。

10、優(yōu)選的，所述分散劑包括但不限于聚丙烯酰胺。

11、優(yōu)選的，所述增稠劑包括但不限于羧甲基纖維素(cmc)。

12、在該實施方式的一些實施例中，所述導(dǎo)電添加劑為石墨烯、碳納米管或聚吡咯中的至少一種。

13、在該實施方式的一些實施例中，所述納米纖維素為纖維素納米纖維(cnf)和纖維素納米晶體(cnc)中的至少一種，直徑為5-20nm，長度為100-500nm。

14、在該實施方式的一些實施例中，所述陶瓷粉體為氧化鋁(al2o3)、勃姆石(al-ooh)或二氧化硅(sio2)中的一種，d50為0.7-1.5μm。

15、在該實施方式的一些實施例中，所述溶劑為水和乙醇中的至少一種。

16、在該實施方式的一些實施例中，以重量份數(shù)計，所述功能化涂料包括：

17、陶瓷顆粒800-1100份，納米纖維素150-250份，導(dǎo)電添加劑50-150份，溶劑4000-5500份。

18、在該實施方式的一些實施例中，以重量份數(shù)計，所述功能化涂料包括：

19、陶瓷顆粒850-1050份，納米纖維素150-275份，導(dǎo)電添加劑50-125份，溶劑4100-5300份。

20、本發(fā)明的第二個方面，提供一種上述的功能化涂料的制備方法，包括：

21、將陶瓷顆粒、納米纖維素與部分溶劑混合，得到納米纖維素溶液；

22、將導(dǎo)電添加劑與剩余溶劑混合，得到導(dǎo)電添加劑溶液；

23、將納米纖維素溶液和導(dǎo)電添加劑溶液混合后，得到功能化涂料。

24、需要說明的是，所述納米纖維素溶液中，陶瓷顆粒的濃度為25-35wt％，所述納米纖維素溶液的濃度為5-10wt％；所述導(dǎo)電添加劑溶液中，導(dǎo)電添加劑的濃度為5-10wt％。

25、本發(fā)明提供的功能化涂料的制備方法簡單高效，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

26、在該實施方式的一些實施例中，納米纖維素溶液和導(dǎo)電添加劑溶液混合后加入粘結(jié)劑、潤濕劑、分散劑和增稠劑。

27、本發(fā)明的第三個方面，提供一種功能化涂料隔膜，包括隔膜和設(shè)置在所述隔膜表面的多孔涂層；所述多孔涂層為上述的功能化涂料形成的多孔涂層。

28、本發(fā)明的原理如下：

29、熱穩(wěn)定性提升：納米纖維素(cnf/cnc)具有較高的熱分解溫度(>200℃)，其晶體結(jié)構(gòu)在高溫下仍能保持穩(wěn)定，為隔膜提供了良好的熱支撐，形成的致密涂層能夠有效阻隔熱源傳遞，降低隔膜在高溫下的收縮率。導(dǎo)電添加劑(如石墨烯、碳納米管)具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率，能夠快速將局部熱量均勻分散，避免熱量集中導(dǎo)致的隔膜局部熔融，通過納米纖維素與導(dǎo)電添加劑的復(fù)合涂層，顯著提高了隔膜的熱穩(wěn)定性，使其在高溫下不易收縮，降低了電池短路的風(fēng)險。陶瓷顆粒具有高熔點，可抑制傳統(tǒng)聚烯烴隔膜(pe/pp)在高溫下的熔縮，避免熱失控。且陶瓷顆粒的加入能夠減少隔膜在高溫下的收縮率，維持電極間隔離，提高電池安全性。

30、離子電導(dǎo)率提高：納米纖維素表面富含羥基(-oh)，能夠與電解液中的極性溶劑(如ec、dmc)形成氫鍵，提高電解液的浸潤性。導(dǎo)電添加劑(如石墨烯、碳納米管)在涂層中形成連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，顯著降低了隔膜的界面阻抗。納米纖維素的多孔結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電添加劑的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成了高效的離子傳輸通道，顯著提升了隔膜的離子電導(dǎo)率，使得電池在高倍率充放電時性能更優(yōu)。陶瓷顆粒表面常帶有極性基團，增強對電解液的浸潤性，促進離子傳輸。陶瓷材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，減少與電解液的副反應(yīng)，延長電池循環(huán)壽命。其能夠穩(wěn)定電極/電解液界面，減少sei膜的過度生長。多孔陶瓷結(jié)構(gòu)吸附更多電解液，降低界面電阻，提升電池倍率性能。

31、鋰枝晶抑制：導(dǎo)電添加劑的高導(dǎo)電性能夠快速傳輸電子，降低電化學(xué)極化，減少鋰枝晶的生長驅(qū)動力。納米纖維素的致密層結(jié)構(gòu)有效抑制了鋰枝晶的生長，提高了電池的安全性。陶瓷顆粒通過均勻化鋰離子流，減少局部電流密度，抑制鋰枝晶生長。且納米級陶瓷顆?？烧{(diào)節(jié)隔膜孔隙分布，形成高效離子通道，平衡導(dǎo)電性與機械強度。

32、機械性能增強：納米纖維素的機械強度提升了隔膜的整體機械性能，使其在電池組裝和使用過程中不易損壞。陶瓷顆粒(如氧化鋁、二氧化硅)的加入顯著提高隔膜的機械強度，防止鋰枝晶或電極膨脹刺穿隔膜，降低短路風(fēng)險。且作為剛性填料，陶瓷顆粒支撐聚合物基質(zhì)，減少循環(huán)過程中的形變，延長隔膜壽命。

33、在該實施方式的一些實施例中，所述多孔涂層的厚度為2-5μm，具體可為2μm、3μm、4μm或5μm等等。

34、本發(fā)明的第四個方面，提供一種上述的功能化涂料隔膜的制備方法，包括：

35、在隔膜表面形成涂層，將所述涂層進行干燥和熱處理使其固化，得到功能化涂料隔膜。

36、在該實施方式的一些實施例中，所述干燥和熱處理為在50-80℃下預(yù)干燥10-20min，然后在100-150℃下熱處理40-50min，使涂層固化?？梢岳斫獾?，熱處理能夠顯著增強涂層的附著力。

37、本發(fā)明的第五個方面，提供一種上述的功能化涂料或上述的功能化涂料隔膜在鋰電池中的應(yīng)用。

38、本發(fā)明提供了一種具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性、高離子電導(dǎo)率且能夠有效抑制鋰枝晶生長的功能化涂層隔膜，其用于鋰電池中能夠顯著提高電池的倍率性能與循環(huán)性能。

39、本發(fā)明的有益效果為：

40、本發(fā)明提供了一種功能化涂料，通過導(dǎo)電添加劑、納米纖維素和陶瓷粉體配合作用，實現(xiàn)隔膜熱穩(wěn)定性的提高、離子電導(dǎo)率的提高，實現(xiàn)鋰枝晶抑制以及機械性能增強。

41、具體的，陶瓷粉體和納米纖維素具有較高的熱分解溫度(>200℃)，其晶體結(jié)構(gòu)在高溫下仍能保持穩(wěn)定，為隔膜提供了良好的熱支撐，形成的致密涂層能夠有效阻隔熱源傳遞，降低隔膜在高溫下的收縮率；導(dǎo)電添加劑(如石墨烯、碳納米管)具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率，能夠快速將局部熱量均勻分散，避免熱量集中導(dǎo)致的隔膜局部熔融，通過陶瓷粉體、納米纖維素與導(dǎo)電添加劑的復(fù)合涂層，顯著提高了隔膜的熱穩(wěn)定性，使其在高溫下不易收縮，降低了電池短路的風(fēng)險。納米纖維素的多孔結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電添加劑的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，形成了高效的離子傳輸通道，顯著提升了隔膜的離子電導(dǎo)率，使得電池在高倍率充放電時性能更優(yōu)。導(dǎo)電添加劑的高導(dǎo)電性能夠快速傳輸電子，降低電化學(xué)極化，減少鋰枝晶的生長驅(qū)動力，陶瓷粉體和納米纖維素的致密層結(jié)構(gòu)有效抑制了鋰枝晶的生長，提高了電池的安全性。且陶瓷粉體和納米纖維素的機械強度提升了隔膜的整體機械性能，使其在電池組裝和使用過程中不易損壞。