TW201401622A

TW201401622A - 鋁塑膜

Info

Publication number: TW201401622A
Application number: TW101122128A
Authority: TW
Inventors: de-cheng Liu
Original assignee: de-cheng Liu
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-01
Also published as: TWI487168B

Abstract

本發明係提供一種鋁塑膜，尤指鋰電池專用鋁塑膜(鋰電池封裝材料)，由頂部至底部的順序分別為外層、第一接著層、第一底塗層、中間層、第二底塗層、第二接著層、底層，第一接著層將外層內面與中間層作結合，底層位於中間層內面下方，第二接著層將中間層內面與底層作結合，第一底塗層與第二底塗層為功能性處理層，由於鋰電池有機電解液中的鹽類易與水氣反應生成氟化氫極具腐蝕性，因此以功能性處理層，處理於鋁塑膜內部一預定位置，作為保護中間層及阻隔之結構處理，整體結構專用於鋰電池封裝應用之材料。

Description

鋁塑膜

本發明係與多層次複合膜之層間複合(Lamination)技術及功能性處理層技術(Fundation Treatment)有關，更詳而言之，即以高阻濕和超高阻氣(有機溶劑)功能的第一底塗層與第二底塗層(Fundation Coating)處理保謢中間層，並以耐高溫且熱固化性的特殊第一接著層(劑)與第二接著劑層(劑)(adhesive)，來隔離(阻止穿透)鋰電池中電解液(六氟磷酸鋰LiPF₆+有機溶劑+填加劑)，因受熱或受水氣干擾而釋出具強烈腐蝕性的氟化氫(HF)，為一具備防腐蝕、阻濕、阻氣、耐熱、耐寒以及可成型的多層次複合技術，專用於鋰電池(LIB)封裝用的一種鋁塑膜。

按，先行技術，多層次複合膜多使用於食品、電子、工業、生技醫療等系列，由於該等塑膠膜所包裝的內容物多為靜態定型之產品(不會有化學變化)，對於包裝材的要求都僅止於耐油、耐衝擊、阻濕(一般空氣中的水份)、阻氣(空氣中的氧氣)、潔淨等複合膜所具備一般物性條件的要求，此類包材設計僅在原材料厚薄及排列組合後進行乾式複合(Dry Lamination)或熱押出淋膜(Extrusion Lamination)即可完成，屬通用(泛用)型的包裝材料(如第一圖)，具有一外層、一第一接著劑、一中間層、一第二接著劑及一底層，第一接著劑係將外層內面與一中間層作結合，第二接著劑係將底層內面與一中間層作結合；而本發明係專用於鋰電池(LIB)之封裝材料，與通用(泛用)型的包裝材料物性要求層次不同，國內其他研發團隊至今一籌莫展，包括工業技術研究院在內；鋰電池為二次電池(即可充電式)的一種，對於鋰電池的構成，如第二圖主要是以正極材料(鋰合金氧化物)、負極材料(碳材)、液體有機電解液組成再使用鋁塑膜封裝之；此外在正負極材料之間以隔離膜將其隔開以避免短路，而液體有機電解液則存在多孔隙的塑膠隔離膜中，負責離子電荷的傳導工作(如第三圖)，有鑑於鋰電池有機電解液(六氟磷酸鋰LiPF₆+有機溶劑+填加劑)易與水(H₂O)反應產生氟化氫(HF)具強烈的腐蝕性，此後續效應會危及封裝材料的穩定性及電池的性能，所以必須進行研發的項目及條件除了必須針對有機電解液的耐受性外，還有阻水性、阻氣性、耐熱、耐寒以及可成型性等皆為鋰電池封裝材料開發必須面對的範疇，一一說明如下列：(各項數據標準來自「工業技術研究院」(Industrial Technology Research Institute)

(一)電解液耐受性：

要求在85℃28天的環境下或是在60℃50天的環境下，進行加速測試，封裝材料不破壞或分層才符合標準。

(二)阻水性：

將本發明封裝電解液以後放置於60℃90%RH之條件下測試，放置七日後取出電解液，利用卡式水份分析儀進行測量，吸水量不得超過50PPM。

(三)阻氣性：

將本發明封裝電解液後，放置在85℃的環境之下，每日不得有超過0.1mg的重量變化。

(四)耐熱性：

一般以封口強度來判別，PE材質在溫度100℃條件下要有15N/15mm以上，PP材質在溫度140℃條件下要有15N/15mm以上為標準。

(五)耐寒性：

將本發明封裝液體，降溫到0℃(PP材質)或-40℃(PE材質)之後，由50cm的高度落下試驗，檢視不可有孔洞發生。

(六)具可成型性，成型所需深度為得以放置片狀正、負極材料。

由本發明人廠內檢驗室進行通用(泛用)型包材與本發明鋁塑膜電解液耐受性比較(如下圖)，其結果顯示先前技術所製作的「通用(泛用)型包材」，充填鋰電池電解液後經烘箱85℃,4h加溫，因包材不耐鋰電池中的有機電解液因熱揮發成具腐蝕性有機氣體發生鋁箔(AL)氧化現象；相對本發明則因功能性處理層(Fundation Coating)高性能的阻隔功能，能將具腐蝕性有機氣體有效阻擋，以確保鋁箔(AL)不被侵蝕氧化，達到鋰電池(LIB)封裝材料適用的條件。

因此，整體而言，鋰電池專用鋁塑膜在艱鉅的研發過程中有以下幾點需要突破：

(一)功能性處理層(Fundation Treatment)之研發：

該功能性處理層為改性壓克力(PMMA)，改性聚乙烯醇(PVA)塗佈(Coating)層，係以聚乙烯醇、調節劑、奈米氧化矽、偶聯劑、增粘劑所組成，具有高阻濕(水氣)高阻氣(阻止空氣中的氧氣O2及有機溶劑氣體穿透)性能(附件一係食研所測試報告097SA02617、097SA06218有機氣體透過率之比較)、(附件二係百瑞爾PVA書面資料)，因一但鋰電池廣泛應用於油電汽機車時，其溫度高於室溫或常溫時，鋰電池中的有機電解液含有極微量的水份會形成水氣(H2O)，且有機電解液中的鹽類易與其產生反應生成具腐蝕性之有機氣體，必需利用功能性處理層百分之百阻隔，免於水氣及有機氣體穿透內層、接著層，直接侵蝕鋁箔因而造成分層，破壞鋁塑膜的整體結構。經與國外廠商及台北科技大學教授莊進標先生及柏誌公司多次測試後得以研發成功此具高阻濕、高阻氣之功能性處理層，以做為阻隔水氣(H2O)及有機氣體之屏障，免於鋁箔(AL)被侵蝕造成分層，而影响電池性能。(附件三係食研所測試報告100SA06949內層阻濕效果提高≒50%)

(二)功能性處理層(Fundation Treatment)與鋁箔(Aluminum-AL)接著之研發：

鋁箔(Aluminum-AL)為極性材質，但於退火過程後會殘留少量油份及雜質直接影响功能性處理層與鋁箔(AL)間的接著強度，進而使功能性處理層之阻隔能力下降。為克服此技術，需於塗佈機上增設線上(in-line)高週波處理機，藉以驅除AL表面油質及雜質，以確保接著品質。

(三)接著層之研發：

本發明與一般製造軟性複合包材貼合用的有機溶劑型接著劑(SB-A)或無溶劑型接著劑(NSB-A)不同，因二者都必需是能不被氟化氫氣體穿透接觸而被溶解或破壞其接著強度；不被水氣(H2O)穿透後因接觸而降低接著強度；不因使用在油電汽機車時處在80℃高溫下而軟化導致分層。因此必需採用耐高溫且熱固化型之特殊接著劑，國內尚無生產此項產品必需購自日本。(附件四：日本AD502及無溶劑型接著劑書面資料)

(四)薄膜和鋁箔表面處理程度(Corona Tretment Dyne)技術之研發：

1、塑膠薄膜為複合工程需要，表面(單面)必需經過電暈處理(corona treatment)使其外表極性化(polarty)，通常以表面張力單位「達因數(dyne)」表示處理程度，該處理也會隨著時間而自動退化，導致印刷工程及貼合工程產生接著強度不足甚或無法接著(一般標準是：ONY薄膜在52dyne，PET薄膜在52dyne，OPP、CPP薄膜在38dyne，PE薄膜在38dyne，VM薄膜在36dyne以上)，所以先前技術為了解表面處理退化問題，通常於貼合機上直接裝設電暈處理機(corona treatment machine)in-line作業，雖一次作業減少二次分別工程的污染，郤大大的降低效率。

2、鋁箔(AL)表面在生產製造過程中，因需退火作業導致殘留微量油質，而產生表面張力必需再行in-line電暈處理，但其速度郤不能滿足貼合工程速度，造成效率嚴重下降。

3、本案發明人技術改良在於將先前in-line作業上重新電暈處理前，在機台上增置加溫系統，進行材料直接預熱，除能滿足電暈處所須達因數外，更使貼合生產線速度提高，提升品質，減少損耗。

(五)生產機器、加工設備之增設與更新：

增購加工器具-貼合塗佈版的版胴版目，及版目的結構經數十次修正，最後成功的以網目35#的塗佈量，測試取得最佳塗佈量，及所要求的層間接著強度。

塗佈機增設線上(In-line)高週波處理設備與加溫預熱系統，以提高各積材表面處理(達因dnye)達到最佳塗佈品質及複合強度。

功能性處理塗佈工場增設「環境濕度控制系統」，將作業環境的相對濕度控制在40RH%以下，以免功能性處理層受潮影响其接著層強度及阻隔功能。

增設「均溫溫度自動控制室」(Curing room)，以便能以分階段溫控方式來進行鋁塑膜熟化作業。

更新線上溫控系統，為穩定線上(in-line)作業溫度，原為柴油燃燒加熱供應系統，更新為天然氣加熱供應系統，達節能減碳效益，同時避免柴油燃燒帶來碳渣(over heat)污染貼合材料，影响品質。

增設無溶劑接著劑供料自動控制加溫系統及溫度自動控制塗佈槽，於貼合設備的塗佈單元上。

(六)檢測儀器之增設：

生產工場設置獨立溫度控制烘箱，以利每收捲一捲即刻取樣加速測試塗佈層及接著層的強度。

增設分析天平

增置檢驗室濕度控制機

135℃高溫滅菌鍋

殘留溶劑檢知機

隨著21世紀微電子技術的發展，小型化設備日益增多，對於電源提出了很高的要求。因此綠能電池隨之進入了大規模應用階段。其中鋰電池(LIB)是當今國際公認的理想綠能電源。鋰電池因具備有體積小、電容量大、電壓高、低污染、高節能減碳等優點，已被廣泛應用在NotBook、Pad、行動電話、數位相機等3C產品，正逐步擴大於油電汽、機車、脚踏車領域也將為鋰電池帶來莫大的成長空間，也是未來綠能電池設計發展的趨勢。

本發明人基於促進綠能產業提高國際競爭力，憑累積多年生產、製造軟性複合包裝材豐富的經驗，積極努力開發、研究改良，終於突破上述技術完成發明。

鋰離子電池與其他電池特性及應用領域比較：

即，本發明係一種鋁塑膜，其主要目的係提供一「功能性處理層」第一底塗層與第二底塗層，即使內容物為液體有機電解液(六氟磷酸鋰LiPF₆)因熱與微量水份反應產生具強烈腐蝕性的氟化氫(HF)可予以阻絕，以維持鋰池封裝材料穩定及內容物鋰電池(LIB)的電力性能。

本發明係一種鋁塑膜，其另一目的係提供一「高阻濕底塗層」第一底塗層與第二底塗層，以阻隔鋰電池在運作過程，大環境中少許的水蒸氣(H₂O)會穿透封裝材料與液體有機電解液反應生成具強腐蝕性的氟化氫(HF)，以維持鋰電池封裝材料穩定及內容物鋰電池(LIB)的電力性能。

緣是，本發明係一種鋁塑膜，其係包含有：一外層，外層基材可為無印刷或於內面或表面進行印刷圖案；一第一接著層，為一接著劑，係將外層內面與一中間層作結合；一第一底塗層，為功能性處理層，具有阻濕、阻氣的結構；一中間層，為鋁箔層，成型之用，並具有阻光、阻濕及阻氣的結構；一第二底塗層，為功能性處理層，具有阻濕、阻氣的結構；一第二接著層，為一接著劑，係將一底層內面與一中間層作結合；一底層，位於中間層內面下方，為可熱封材質，具耐溫度、防溼性、防有機溶劑氣體及耐腐蝕性的結構；據此，以鋁塑膜專用於鋰電池封裝應用之材料，由於鋰電池有機電解液中的鹽類易與水氣反應生成氟化氫(HF)極具腐蝕性，以功能性處理層，處理於多層次複合膜內部，作為保護中間層及阻隔之結構處理。

首先，本發明一種鋁塑膜，第一實施例，如第四圖所示，其係包含有一外層、一第一接著層、一第一底塗層、一中間層、一第二底塗層、一第二接著層及一底層，外層為尼龍薄膜(ONY)，作為主材料，厚度約為15μ至25μ，具有耐摩擦、延伸性及抗張強度，外層基材可為無印刷或於內面或表面進行印刷圖案，印刷係以水性油墨-WB-Ink(Water Base Ink)印製於該外層，第一接著層為一接著劑，係將外層內面與一中間層作結合，第一接著層為無溶劑型接著劑-NSB(NON-Solvent Base)，第一接著層或可為有機溶劑型接著劑-SB(Solvent Base)，第一底塗層為功能性處理層，具有高阻濕、高阻氣的結構特性，第一底塗層係以改性壓克力(PMMA)。及聚乙烯醇、調節劑、奈米氧化矽、偶聯劑、增粘劑和水組成的，調節劑為甲醇與乙醇的混合物，偶聯劑由氨基矽烷、醇鈦酸脂、醇烷氧基鈦酸酯組成，增粘劑為聚乙烯；中間層為鋁箔層(AL)厚度為25μ至40μ，作為成型之用，並具有阻光、阻濕及阻氣的結構特性，第二底塗層為功能性處理層，具有高阻濕、高阻氣的結構特性，第二底塗層係以改性壓克力(PMMA)。及聚乙烯醇、調節劑、奈米氧化矽、偶聯劑、增粘劑和水組成的，調節劑為甲醇與乙醇的混合物，偶聯劑由氨基矽烷、醇鈦酸脂、醇烷氧基鈦酸酯組成，增粘劑為聚乙烯，第二接著層為一接著劑，係將一內層內面與一中間層作結合，第二接著層為無溶劑型接著劑-NSB(NON-Solvent Base)，或可為有機溶劑型接著劑-SB(Solvent Base)，底層位於中間層內面下方，底層為聚丙烯(CPP)，可為聚乙烯(PE)，作為副基材，厚度約為40μ至8 0μ，為可熱封材質，具耐溫度、防溼性、防有機溶劑氣體及耐腐蝕性的結構特性；藉由上述之結構組合，本發明一種鋁塑膜，應用於鋰電池(LIB)，由於鋰電池有機電解液中的鹽類易與水氣反應生成氟化氫(HF)極具腐蝕性，以鋁塑膜專用於鋰電池封裝應用之材料，以功能性處理層，處理於多層次複合膜內部，作為保護中間層及阻隔之結構處理，主要係以一「功能性處理層」(Fundation Tearment)，即第一底塗層與第二底塗層，使內容物為液體有機電解液(六氟磷酸鋰LiPF₆)因熱與微量水份反應生成了具強烈腐蝕性的氟化氫(HF)可予以阻絕，以維持鋰電池封裝材料穩定及內容物鋰電池(LIB)的電力性能，而且第一底塗層與第二底塗層具有「高阻濕高阻氣功能」，以阻隔鋰電池在運作過程，大環境中極微量水蒸氣(H₂O)會穿透封裝材料與液體有機電解液反應生成具強腐蝕性的氟化氫(HF)，以維持鋰電池封裝材料穩定及內容物鋰電池(LIB)的電力性能；第二實施例，如第五圖所示，其係包含有一外層、一第一接著層、一第一底塗層、一中間層、一第二底塗層、一第二接著層及一底層，外層為聚酯薄膜(PET)12μ加尼龍(ONY)15μ，作為主材料，具有耐摩擦、延伸性及抗張強度，外層基材可為無印刷或於內面或表面進行印刷圖案，印刷係以水性油墨-WB-Ink(Water Base Ink)印製於該外層，第一接著層為一接著劑，係將外層內面與一中間層作結合，第一接著層為無溶劑型接著劑--NSB(NON-Solvent Base)，或可為有機溶劑型接著劑-SB(Solvent Base)，第一底塗層為功能性處理層，具有高阻濕、高阻氣的結構，第一底塗層係以改性壓克力(PMMA)，及聚乙烯醇、調節劑、奈米氧化矽、偶聯劑、增粘劑和水組成的，調節劑為甲醇與乙醇的混合物，偶聯劑由氨基矽烷、醇鈦酸脂、醇烷氧基鈦酸酯組成，增粘劑為聚乙烯；中間層為鋁箔層(AL)厚度為25μ至40μ，作為成型之用，並具有阻光、阻濕及阻氣的結構，第二底塗層為功能性處理層，具有高阻濕、高阻氣的結構，第二底塗層係以改性壓克力(PMMA)，及聚乙烯醇、調節劑、奈米氧化矽、偶聯劑、增粘劑和水組成的，調節劑為甲醇與乙醇的混合物，偶聯劑由氨基矽烷、醇鈦酸脂、醇烷氧基鈦酸酯組成，增粘劑為聚乙烯，第二接著層為一接著劑，係將一內層內面與一中間層作結合，第一接著層為無溶劑型接著劑-NSB(NON-Solvent Base)，或可為有機溶劑型接著劑-SB(Solvent Base)，底層位於中間層內面下方，底層為為聚丙烯(PP)，可為聚乙烯(PE)，作為副基材，厚度為40μ至80μ，為可熱封材質，具耐高溫、防溼性、防有機溶劑氣體及耐腐蝕性的結構；第二實施例與第一實施例相同，主要係以「功能性處理層」(Fundation Treatmetn)，即第一底塗層與第二底塗層，使內容物生成強烈腐蝕性的氟化氫(HF)可予以阻絕，以維持鋰電池封裝材料穩定及內容物鋰電池(LIB)的電力性能，而且第一底塗層與第二底塗層具有「高阻濕底塗層」，以阻隔鋰電池在運作過程，大環境中極微量水蒸氣(H₂O)會穿透封裝材料與液體有機電解液反應生成具強腐蝕性的氟化氫(HF)，以維持鋰電池封裝材料穩定及內容物鋰電池(LIB)的電力性能；第二實施例與第一實施例唯一不同點是於外層另加一層聚酯(PET)薄膜複合在尼龍(ONY)上，厚度為12μ，其目的在於鋰電池用在油電自行車、油電機車及油電汽車上時較暴露在外，易受外在環境影响，因此加以一層聚酯(PET)薄膜以提高其耐候性，以維持鋁塑膜封裝材更穩定。

綜上所述，本發明一種鋁塑膜，其新穎性、實用性乃毋庸置疑，為此懇祈貴審查委員，一秉發明人努力創作初衷，賜准本案專利，則申請人是幸！

附件：

一：係食研所測試報告097SA02617、097SA06218有機氣體透過率之比較。

二：係百瑞爾PVA書面資料。

三：係食研所測試報告100SA06949內層阻濕效果提高≒50%。

四：日本AD502書面資料。

五：無溶劑型接著劑書面資料。

六：經濟部工業局回函。

第一圖係習知通用(泛用)型的包裝材料之結構示意圖。

第二圖係鋰電池構成之示意圖。

第三圖係鋰電池內部材料之示意圖。

第四圖係本發明第一實施例所使用基材之平面示意圖。

第五圖係本發明第二實施例所使用基材之平面示意圖。

Claims

一種鋁塑膜，其係包含有：一外層，外層基材可為無印刷或於內面或表面進行印刷圖案；一第一接著層，為一接著劑，係將外層內面與一中間層作結合；一第一底塗層，為功能性處理層，具有阻濕、阻氣的結構；一中間層，為鋁箔層，成型之用，並具有阻光、阻濕及阻氣的結構；一第二底塗層，為功能性處理層，具有阻濕、阻氣的結構；一第二接著層，為一接著劑，係將一底層內面與一中間層作結合；一底層，位於中間層內面下方，為可熱封材質，具耐溫度、防溼性、防有機溶劑氣體及耐腐蝕性的結構；據此，以鋁塑膜專用於鋰電池封裝應用之材料，由於鋰電池有機電解液中的鹽類易與水氣反應生成氟化氫(HF)極具腐蝕性，以功能性處理層，處理於多層次複合膜內部，作為保護中間層及阻隔之結構處理。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該外層為尼龍薄膜(ONY)，作為主材料，具有耐摩擦、延伸性及抗張強度，底層為聚丙烯(CPP)作為副基材。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該外層為尼龍薄膜(ONY)，作為主材料，具有耐摩擦、延伸性及抗張強度，底層為聚乙烯(PE)作為副基材。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該外層為聚酯薄膜(PET)複合在尼龍(ONY)薄膜上，作為主材料，具有耐摩擦、延伸性及抗張強度，底層為聚乙烯(PE)作為副基材。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該外層為聚酯薄膜(PET)複合在尼龍(ONY)薄膜上，作為主材料，具有耐摩擦、延伸性及抗張強度，底層為聚丙烯(PP)作為副基材。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該第一接著層及第二接著層可為無溶劑型接著劑。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該第一接著層及第二接著層可為有機溶劑型接著劑。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該第一底塗層係以改性壓克力(PMMA)，及聚乙烯醇、調節劑、奈米氧化矽、偶聯劑、增粘劑和水組成的，調節劑為甲醇與乙醇的混合物，偶聯劑由氨基矽烷、醇鈦酸脂、醇烷氧基鈦酸酯組成，增粘劑為聚乙烯。
如申請專利範圍第1項所述之多層次複合膜，其中該第二底塗層係以改性壓克力(PMMA)，及聚乙烯醇、調節劑、奈米氧化矽、偶聯劑、增粘劑和水組成的，調節劑為甲醇與乙醇的混合物，偶聯劑由氨基矽烷、醇鈦酸脂、醇烷氧基鈦酸酯組成，增粘劑為聚乙烯。