CN101752540A - 一种锂离子二次电池用聚酰亚胺隔膜以及锂离子电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锂离子二次电池用聚酰亚胺隔膜以及锂离子电池，其特征在于，沿聚酰亚胺隔膜厚度的方向上，所述聚酰亚胺隔膜包括第一表面、第二表面，且所述第一表面至第二表面由曲折孔道相连通，曲折孔道由贯通孔相互连接形成；根据压汞法测得该聚酰亚胺隔膜的平均孔径分布为，孔直径为40-300纳米的孔的孔体积占总孔体积的75％以上。其中，聚酰亚胺隔膜的第一表面，孔直径为50纳米-10微米的孔的孔面积占第一表面孔面积的75％以上；在隔膜的第二表面，孔直径为5纳米-5微米的孔的孔面积占第二表面孔面积的75％以上。本发明提供的隔膜作为电池隔膜，使得锂离子电池的使用寿命提高，此外本发明提供的隔膜还具有较高的热稳定性，大大提高了电池的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子二次电池用聚酰亚胺隔膜，还涉及使用该隔膜作为电池隔膜的锂离子电池。
背景技术
迄今，使用液体电解质的锂离子二次电池已经得到广泛的应用。然而，由于液体电解质需要包装在密封的金属壳中，在某些不当使用的情况下，例如电池在高温环境下工作时外部热量通过金属外壳传递到电池内部，或者放电电流较大时电池内部放热，电池内部或外部会过热而使电池内压大幅度增加，因而由于液体电解质热不稳定而使电池发生爆炸，因此使用液体电解质的锂离子二次电池存在安全隐患，限制了液体电解质锂离子二次电池的进一步发展，因此提高锂离子电池安全性是研发锂离子二次电池的关键。
锂离子二次电池的安全对策之一是使电流遮断，其中电池隔膜起到重要的作用，具有多孔结构的聚合物的隔膜在较高温度下发生熔化，从而导致多孔结构关闭、阻抗迅速增加而使电流遮断，该温度称为遮断(Shut-Down)温度，又称自闭温度。此外，隔膜的孔关闭后，如果电池温度继续升高，超过隔膜的耐热温度时，隔膜会发生完全熔化、破坏，导致正极、负极直接接触而短路，此温度称为膜破坏(break-out)温度。现在常用的电池隔膜如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)由于熔化温度低于200℃(如PE隔膜的自闭温度为130-140℃，PP隔膜的自闭温度为170℃左右)，在某些情况下，例如外部温度过高、放电电流过大或者电解液受热过程中的热惯性的情况下，即使电流被遮断，电池的温度也可能继续升高，因此隔膜可能完全被破坏而导致电池短路，从而导致电池爆炸或着火。因此，采用PE隔膜和PP隔膜的安全性较低。
随着近年来锂离子二次电池的发展，高容量电池的需要量越来越大，而当使用高容量电池时，需要降低电池内阻，因而使电池内部热量增大的因素增加，并因此提高电池的安全性能变得更为重要。
JP11310658A2公开了一种聚酰亚胺隔膜及其制备方法，该制备方法包括，将聚酰胺酸溶液的膜与隔膜层压，接着将该层压结构浸入贫溶剂中，获得孔直径为0.01-10μm的多孔聚酰亚胺膜。所述隔膜为常规用于电池隔膜的聚烯烃类膜。虽然由该方法制备得到的膜能在一定程度上改善电池隔膜的耐热性，然而，当温度超过聚烯烃材料的熔点(如180℃左右)时，聚烯烃材料发生熔化，导致层压在该聚烯烃类膜上的聚酰亚胺层随之脱落，该聚酰亚胺隔膜作为电池的隔膜时仍然存在危险性。
CN101000951A公开了一种用作电池隔膜的聚酰亚胺隔膜的制备方法，该方法包括将含有聚酰亚胺、成孔物质和溶剂的溶液成膜，并在低于聚酰亚胺玻璃化温度下除去成孔物质，然后通过双向拉伸的方法对聚酰亚胺进行拉伸，使孔定型。所述成孔物质为各种与基材具有优良相容性且能够在低于基材玻璃化温度下除去的物质，如非挥发性有机溶剂，如壬烷、癸烷、十一烷、十二烷、液体石蜡或矿物油。上述方法虽然可以通过成孔物质的逸出来获得聚酰亚胺膜上的微孔，但是该方法很难彻底除去成孔物质，而且利用这种方法所获得的隔膜微孔分布不均匀，安全性能不好。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的聚酰亚胺膜的孔径大小不均匀、安全性能不好的缺点，提供一种孔径大小均匀，安全性能好的聚酰亚胺隔膜，还提供了一种使用该隔膜作为电池隔膜的锂离子电池。
本发明提供了一种聚酰亚胺隔膜，该聚酰亚胺隔膜具有三维网络状结构，该隔膜的表面及内部错综分布着大量的孔洞，孔与孔彼此曲折连通，该聚酰亚胺隔膜的孔径分布为，在多孔模的上表面，孔直径为50纳米-10微米的孔的孔面积占上表面孔面积的75％以上；在隔膜的下表面，孔直径为5纳米-5微米的孔的孔面积占下表面孔面积的75％以上，隔膜中间，直径为40-300纳米的孔的孔体积占总孔体积的75％以上，所述孔直径采用压汞法测得。
本发明还提供了一种锂离子电池，该电池包括电池外壳和封装在该外壳内部的电极组和电解液，所述电极组包括依次卷绕或叠置的正极、隔膜和负极，其中，所述隔膜为本发明提供的聚酰亚胺隔膜。
本发明提供的聚酰亚胺隔膜的孔直径分布均匀，从而使由该隔膜作为电池隔膜而制成的锂离子电池的使用寿命提高；还使该隔膜具有较高的机械强度，从而使由该隔膜作为电池隔膜制成的锂离子电池的加工成品率提高。而且，由于隔膜具有不对称的上下表面，使得隔膜的安全性能提高，此外还具有较高的热稳定性，也大大提高了电池的安全性能。本发明提供的锂离子电池的使用寿命较高，加工成品率较高，且电池的安全性能很好，可以应用于高容量的动力电池中。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的聚酰亚胺隔膜第一表面的扫描电子显微镜照片。(放大倍数5660倍)
图2为本发明实施例1制得的聚酰亚胺隔膜第二面的扫描电子显微镜照片。(放大倍数5660倍)
图3为本发明实施例1制得的聚酰亚胺隔膜横截面的扫描电子显微镜照片。(放大倍数1000倍)
具体实施方式
根据本发明提供的一种锂离子电池用聚酰亚胺隔膜，沿该聚酰亚胺隔膜厚度的方向上，聚酰亚胺隔膜具有第一表面和第二表面，且第一表面至第二表面由曲折孔道相连通，曲折孔道由贯通孔相互连接形成，其中，50纳米-10微米的孔的孔面积占第一表面孔面积的75％以上；在隔膜的第二表面，孔直径为5纳米-5微米的孔的孔面积占第二表面孔面积的75％以上，采用压汞法测得，隔膜中间，直径为40-300纳米的孔的孔体积占总孔体积的75％以上。
根据本发明提供的隔膜，当本发明的隔膜用于电池隔膜时，对电池隔膜的要求是，平均孔直径为0.01-5微米、优选为0.05-2微米；孔隙率为10-60体积％、优选为25-45体积％；厚度为5-50微米、优选为12-25微米；透气性为10-250秒/100cc、优选为20-150秒/100cc。所述孔隙率是指聚酰亚胺隔膜中孔的总体积占聚酰亚胺隔膜的体积的百分比。所述孔隙率采用压汞法测量。本发明的聚酰亚胺膜的孔结构较均匀。由于该隔膜的孔的均匀性很好，且透气性很好，因此可以使由该隔膜作为电池隔膜的锂离子电池的安全性能更好。
本发明提供的聚酰亚胺隔膜的制备方法包括将含有聚酰胺酸、成孔物质和溶剂的混合物形成聚酰胺酸膜，将该聚酰胺酸膜与凝固液接触，并进行酰亚胺化，所述溶剂为溶解聚酰胺酸但微溶或不溶解成孔物质的溶剂，所述凝固液为溶解成孔物质但微溶或不溶解聚酰胺酸的液体。本文所描述的“微溶”表示溶解度小于1g/100g溶剂且大于0.01g/100g溶剂；“不溶解”表示溶解度小于0.01g/100g溶剂。
根据本发明提供的制备方法，在优选情况下，所述成孔物质与所述聚酰胺酸的重量比为0.01-0.3∶1，聚酰胺酸与所述溶剂的重量比为1∶4.5-10，聚酰胺酸与所述凝固液的重量比为1∶20-200、优选为1∶40-50。
根据本发明提供的制备方法，所述将聚酰胺酸膜与凝固液接触的方式为将聚酰胺酸膜浸渍在凝固液中，所述凝固液的温度为0-50℃，将所述聚酰胺酸膜浸入所述凝固液的时间为20-120分钟。此时，该聚酰胺酸膜固化并除去成孔物质，形成了聚酰胺酸的隔膜。
该聚酰胺酸隔膜的成孔原理有以下两种，一种是，成孔物质与聚酰胺酸不相溶，通过使用可以与成孔物质产生反应但不与聚酰胺酸反应的物质来除去成孔物质，从而在聚酰胺酸膜中形成微孔；另一种是，成孔物质与聚酰胺酸不相溶，通过采用可以溶解成孔物质但不溶解聚酰胺酸的物质，将成孔物质溶解，从而在聚酰胺酸膜中形成微孔。
根据本发明提供的制备方法，按照上述第一种成孔原理，所述成孔物质选自碱土金属元素的氢氧化物、氢氧化铝、碱金属的磷酸盐和三聚磷酸钠中的一种或几种，且平均粒度为0.01-2微米。其中，所述碱土金属元素的氢氧化物为氢氧化镁和/或氢氧化钙；所述碱金属的磷酸盐为磷酸三钠和磷酸三钾。所述凝固液为盐酸、硫酸和磷酸中的一种或多种，所述凝固液也作为可以与成孔物质产生反应的物质。
根据本发明提供的制备方法，所述盐酸的浓度为5-35重量％，所述硫酸水溶液的浓度为5-98重量％，所述磷酸水溶液的浓度为5-98重量％。
根据本发明提供的制备方法，按照上述第二种成孔原理，所述成孔物质选自碳原子数为5-15的饱和羧酸、苯甲酸多元醇酯、碳原子数为13-18的苯二甲酸二烷基酯和多元醇甲醚醋酸酯中的一种或几种。其中，所述碳原子数为5-15的饱和羧酸为戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸和它们的异构体中的一种或几种；所述苯甲酸多元醇酯为苯甲酸一缩乙二醇酯和/或苯甲酸一缩丙二醇酯；所述碳原子数为13-18的苯二甲酸二烷基酯为对苯二甲酸二戊酯和/或间苯二甲酸二己酸酯；所述多元醇甲醚醋酸酯为丙二醇甲醚醋酸酯和/或乙二醇甲醚醋酸酯。
根据本发明所提供的制备方法，可以制得一种具有三维网络状结构的聚酰亚胺隔膜，在该隔膜的表面和内部分布有大量的孔，各孔之间彼此连通，其中各孔之间连通的通道曲折迂回。本发明中提供的这种具有三维网络结构的隔膜，具有孔洞分布均匀，孔隙率可控的特点。
本发明所提供的一种锂离子电池用聚酰亚胺隔膜，沿聚酰亚胺隔膜厚度的方向上，聚酰亚胺隔膜具有第一表面和第二表面，且第一表面至第二表面由曲折孔道相连通，曲折孔道由贯通孔相互连接形成，50纳米-10微米的孔的孔面积占第一表面孔面积的75％以上；在隔膜的第二表面，孔直径为5纳米-5微米的孔的孔面积占第二表面孔面积的75％以上，采用压汞法测得，隔膜中间，直径为40-300纳米的孔的孔体积占总孔体积的75％以上。
发明人通过大量实验发现，现有技术中，通过将含有聚酰亚胺、成孔物质和溶剂的溶液成膜，并在低于聚酰亚胺玻璃化温度下除去成孔物质，然后通过双向拉伸的方法对聚酰亚胺进行拉伸，使孔定型的方法所获得的聚酰亚胺隔膜中存在孔与孔之间彼此不连通，孔分布不均匀，隔膜中残留成孔物质等问题，作为锂离子二次电池用隔膜，必须为锂离子通过提供通道，而如果锂离子不能有效的通过隔膜，将影响整个电池的循环性能，而且由于成孔物质在隔膜内有残留，残留的成孔物质在高温时裂解，而其裂解残留物将作为杂质留在隔膜内，给电池的安全性能造成了影响，而本发明中所提供的电池隔膜，沿聚酰亚胺隔膜厚度的方向上，具有第一表面和第二表面，且所述第一表面至第二表面由曲折孔道相连通，曲折孔道由贯通孔相互连接形成，弯曲的孔道可以阻止锂支晶刺破隔膜，孔与孔之间的彼此连通，又为锂离子提供了通过隔膜的通道，而且由于本发明中提供的隔膜具有特殊的不对称结构，在第一表面，孔径较大，有利于锂离子穿过隔膜，提高放电电流；第二表面的孔的孔径较小，可以有效地阻止锂枝晶刺穿隔膜。
根据本发明提供的制备方法，所述溶剂可以为各种可以溶解聚酰胺酸的溶剂，该溶剂的例子包括N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)、N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)、四氢呋喃(THF)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、间甲苯酚、二甲基亚砜(DMSO)和甲醇中的一种或几种。
上面提到的聚酰胺酸可以商购获得，也可以通过将四酸二酐与有机二胺在溶剂中反应得到。当采用四酸二酐与有机二胺在溶剂中反应制备聚酰胺酸溶液时，所述成孔物质可以在反应前、反应中和反应后的任意阶段加入，使成孔物质与聚酰胺酸溶液更均匀地混合，本发明选择在反应前加入成孔物质。即所述聚酰胺酸溶液的制备方法包括将四酸二酐、有机二胺、成孔物质与溶剂混合，得到均匀的混合物，将该混合物形成聚酰胺酸膜，并在低于聚酰胺酸的玻璃化温度下干燥，将干燥后的所述聚酰胺酸膜浸入凝固液中除去成孔物质，接着进行亚胺化。
根据本发明提供的制备方法，在优选情况下，所述四酸二酐与有机二胺的摩尔比为0.8-1.2，更优选为1.00-1.02，四酸二酐和有机二胺的总量与成孔物质的重量比为1∶0.01-0.3，四酸二酐和有机二胺的总量与所述溶剂的重量比为1∶4.5-10。
根据本发明提供的制备方法，在优选情况下，将四酸二酐、有机二胺、成孔物质与溶剂混合进行缩合反应的温度为20-70℃，接触的时间为3-15小时。
根据本发明，可以利用本领域公知的各种技术使聚酰胺酸溶液形成聚酰胺酸膜，例如，可以将含有聚酰胺酸、成孔物质和溶剂的混合物涂覆到支撑体上，干燥除去溶剂后，即可获得聚酰胺酸膜。此时获得的聚酰胺酸膜为无孔膜或者膜的孔隙率非常低的膜，不是通常意义上的隔膜，也不能满足电池隔膜对孔隙率、孔径和孔分布的要求。
将聚酰胺酸溶液涂覆到支撑体上的步骤优选在温度为10-40℃、相对湿度为20-80％的条件下进行。
涂覆的方法可以是本领域公知的各种方法，例如旋涂法、刮涂法、流延法、浸涂法等。涂覆的量取决于所要获得的聚酰胺酸膜的厚度或者聚酰亚胺膜的厚度和聚酰胺酸溶液的浓度。一般情况下，涂覆的量使最终所得聚酰亚胺隔膜的厚度为5-50微米。实验证明，将形成的聚酰胺酸膜的厚度控制在10-60微米范围内，即可使最终所得聚酰亚胺隔膜的厚度为5-50微米。在厚度确定和聚酰胺酸溶液浓度已知的情况下，本领域技术人员很容易掌握聚酰胺酸溶液的涂覆量。
所述支撑体可以选自不锈钢板、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚酯薄膜、铜箔和铝箔中的一种。
除去溶剂的方法可以为本领域技术人员公知的各种方法，如自然干燥、加热干燥、真空干燥等方法，干燥的条件包括温度可以为20-150℃，时间可以为5-20分钟。
为了进一步提高聚酰胺酸膜的质量从而提高最终获得的聚酰亚胺隔膜的质量，优选情况下，本发明提供的方法中所述的聚酰胺酸溶液为经过在15-40℃下真空脱气1-12小时优选1-2小时的聚酰胺酸溶液。换句话说，优选情况下，本发明提供的方法还包括在将聚酰胺酸溶液成膜前，先将聚酰胺酸溶液在15-40℃下真空脱气1-12小时，优选1-2小时，以除去溶液中可能存在的气泡。所述真空脱气的真空度能够保证聚酰胺酸溶液不挥发或少量挥发，优选情况下，所述真空度为0.001-0.1兆帕。
根据本发明，为了进一步提高聚酰亚胺隔膜的质量，防止凝固液对聚酰亚胺隔膜造成不利影响，优选情况下，本发明提供的方法还包括将得到的多孔的聚酰胺酸膜用清洗剂进行清洗。所述清洗剂可以是碳原子数为2-8的醇和/或酮，优选为乙醇、丙酮或二者的混合物。清洗的温度可以为0-60℃，优选为20-50℃。所述清洗的方式可以是用清洗剂对多孔的聚酰胺酸膜进行淋洗和/或浸渍。淋洗的次数优选为3-5遍，浸渍的时间可以是3-6小时。浸渍时可利用超声波辅助清洗。
在本发明中，将多孔的聚酰胺酸膜进行酰亚胺化的条件可以是常规的酰胺酸亚胺化的条件，具体的操作方法也已为本领域技术人员所公知，例如，可以通过将多孔的聚酰胺酸膜在70-400℃下加热2-7小时来实现。
可以直接升温也可以采用程序式升温使温度升高到70-400℃，本发明优选采用以4-8℃/分钟的升温速率程序升温至70-400℃，以使聚酰胺酸充分亚胺化，生成所需的聚酰亚胺。进一步优选通过程序升温法使多孔的聚酰胺酸膜在温度为70-200℃下保持0.5-4小时、在200℃-400℃下保持0.5-3小时来实现酰亚胺化。实验证明，在该条件下仅发生酰胺酸脱水生成酰亚胺的反应，并不会导致上述已成型的孔的分布、大小的变化，因而获得的聚酰亚胺膜仍然保留了多孔的聚酰胺酸膜中的多孔结构，成为聚酰亚胺隔膜。
可以通过提高反应温度、延长反应时间来提高聚酰胺酸转化为聚酰亚胺的转化率。在本发明上述条件下，聚酰胺酸转化为聚酰亚胺的转化率大于99％，而且由于本发明主要是对聚酰亚胺隔膜的成孔方式进行改进，而由聚酰胺酸转变成聚酰亚胺的方式则采用常规方式，因此在本发明具体实施方式中不对聚酰胺酸的量作特别要求。另外，少量聚酰胺酸的存在对聚酰亚胺隔膜的耐热性、透气性以及热收缩率没有太大影响，因此允许得到的聚酰亚胺隔膜中存在2％以下的聚酰胺酸。
本发明具体实施方式中优选采用二元有机酸酐与有机二胺进行缩合反应来制备聚酰胺酸。所述二元有机酸酐的例子包括但不限于如联苯四酸二酐(s-BPDA)、二苯酮四酸二酐(BTDA)、均苯四甲酸二酐(PMDA)、氧联苯四甲酸酐(ODPA)和双酚A二醚二酐(BPADA)。所述有机二胺的例子包括但不限于4，4’-二氨基二苯醚(4，4’-ODA)、3，4’-二氨基二苯醚(3，4’-ODA)、对苯二胺(PDA)、间苯二胺(mDA)、3，3’-二苯砜二胺、4，4’-二苯砜二胺。
所述多元有机羧酸或其衍生物与有机二胺的摩尔比优选为0.8-1.2，更优选为1.00-1.02。优选情况下，所述溶剂的加料量与多元有机羧酸或其衍生物和有机二胺的总加料量的重量比为4.5-10。缩合反应的温度优选为20-70℃，时间优选为3-15小时。
本发明中，所述聚酰亚胺可以是本领域常规的各种重复单元中含有酰亚胺基团的聚合物，优选情况下，所述聚酰亚胺为具有下述结构式的聚酰亚胺，
其中，其中，A1优选为如下结构的芳基：
所述二胺可以是具有NH2-A2-NH2表示的结构的二胺，A2可以是如下结构的芳基：
聚合度n可以为50-10000，热分解温度为420℃以上。
本领域技术人员知道，由于一般的聚酰亚胺(PI)是一种不溶性高分子聚合物，其聚合度很难准确测定，而与聚合度直接相关的另一个物理参数聚酰胺酸的特性粘度密切相关。聚酰胺酸是由酸二酐与胺反应制备聚酰亚胺反应过程中的中间体，研究发现，通过控制聚酰胺酸的特性粘度在一定范围内，即可获得所需聚合度或者所需物理性能的聚酰亚胺，而特性粘度是一个与测量条件无关能够客观反映聚酰胺酸聚合度的物理参数，因此本领域通常使用聚酰胺酸的特性粘度来表示聚酰胺酸和聚酰亚胺的聚合度。本发明在此沿用上述方法来表征聚酰亚胺薄膜的聚合度。本发明的发明人研究发现，只要将与该聚酰亚胺对应的聚酰胺酸的特性粘度控制在100-200毫升/克优选在140-190毫升/克即可实现本发明的目的，因此，本发明中，只要使与该聚酰亚胺对应的聚酰胺酸的特性粘度为100-200毫升/克优选为140-190毫升/克即可。
优选情况下，所述聚酰亚胺为与四酸二酐和二胺对应的聚均苯四甲酰亚胺、聚联苯四甲酰亚胺、聚二苯酮四甲酰亚胺中的一种或几种。优选所述聚均苯四甲酰亚胺选自聚N-苯基均苯四甲酰亚胺、聚N-联苯基均苯四甲酰亚胺、聚N-二苯醚基均苯四甲酰亚胺中的一种或几种；所述聚联苯四甲酰亚胺选自聚N-苯基联苯四甲酰亚胺、聚N-联苯基联苯四甲酰亚胺、聚N-二苯醚基联苯四甲酰亚胺中的一种或几种；所述聚二苯酮四甲酰亚胺选自聚N-苯基二苯酮四甲酰亚胺、聚N-联苯基二苯酮四甲酰亚胺、聚N-二苯醚基二苯酮四甲酰亚胺中的一种或几种。
根据本发明的一种优选实施方式，本发明提供的聚酰亚胺隔膜的制备方法包括如下步骤：
(1)将四酸二酐与有机二胺按照摩尔比0.8-1.2∶1的比例加入溶剂中，溶剂的用量使得到的聚酰胺酸的浓度为5-40重量％，在20-70℃下搅拌反应3-15小时后，加入成孔物质，成孔物质与得到的聚酰胺酸的重量比为0.01-0.3∶1；在相同温度下真空脱气1-12小时得到聚酰胺酸溶液；
(2)在温度为10-40℃、相对湿度为20-80％条件下，将上述聚酰胺酸溶液涂覆到不锈钢或玻璃支撑体上，在20-200℃下干燥，除去溶剂后得到5-50微米的聚酰胺酸膜；
(3)将上述聚酰胺酸膜的支撑体放入10-50℃的凝固液中浸渍20-120分钟，得到多孔的聚酰胺酸膜；
(4)将上述得到的多孔的聚酰胺酸膜在10-50℃的清洗剂中浸泡清洗3-6小时，干燥后采用梯度升温逐步亚胺化的方式，在氮气、氩气或真空下加热将聚酰胺酸转化为聚酰亚胺，得到聚酰亚胺隔膜。加热的温度为100-200℃下保持0.5-1.5小时、180-250℃下保持0.5-1.5小时、230-280℃下保持0.5-1.5小时、260-350℃下保持0.5-1.5小时。
根据有机合成的基本知识即可定性判断本发明提供的方法能够得到聚酰亚胺膜。当然，也可以根据红外光谱进行定性表征。红外光谱中1720cm-1附近的强峰为C＝O伸缩振动吸收峰，1380cm-1附近的中强峰为C-N伸缩振动吸收峰。如果红外光谱中出现上述峰，则可说明获得了聚酰亚胺。所述红外光谱谱图可以采用美国Nicolet公司NEXUS470型傅立叶转换红外光谱仪、溴化钾涂层法获得。上述测定方法已为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。由于本发明中采用非常成熟的方法合成聚酰亚胺，只是对成孔方式进行了改进，因此在实施例中不特别对聚酰亚胺膜的结构进行表征。
本发明所形成的聚酰亚胺孔的大小、孔隙率和透气性跟聚酰胺酸溶液浓度、凝固液、成膜温度、湿度都有关系，通过调节这些参数可以实现对聚酰亚胺隔膜品质的控制。
本发明提供的锂离子电池包括电池外壳和封装在该外壳内部的电极组和电解液，所述电极组包括依次卷绕或叠置的正极、隔膜和负极，其中，所述隔膜为本发明提供的聚酰亚胺隔膜。
根据本发明提供的锂离子电池，所述电池的正极、负极和电解液均可以采用本领域技术人员公知的各种正极、负极和电解液，具体配方及制备方法在此不再赘述。
下面的实施例将对本发明作进一步的描述。在实施例中，实施例中所用到的主要原料有：
均苯四甲酸二酐：上海市合成树脂研究所；
二苯酮四甲酸二酐：上海市合成树脂研究所；
双酚A二醚二酐：上海合成树脂研究所；
氧联苯四甲酸二酐：上海化学试剂公司；
对苯二胺：上海化学试剂采购供应五联化工厂；
N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮：上海试剂厂。
实施例1
(1)将4，4’-二氨基二苯醚和均苯四甲酸二酐以1∶1的摩尔比加入到300毫升N，N-二甲基乙酰胺中，其中固含量为10重量％。在25℃下搅拌反应8小时，然后加入4克丙二醇甲醚醋酸酯，并在该温度下真空脱气1小时，得到粘稠状的混合物，该混合物的特性粘度ηint＝150毫升/克(测定条件：乌氏黏度计，恒温30℃，混合物稀释到固含量为0.005克/毫升)；
(2)在温度为10℃、相对湿度为50％条件下，将上述混合物涂覆在不锈钢板上，在100℃下干燥20分钟后除去溶剂，得到聚酰胺酸膜；
(3)将上述带有聚酰胺酸膜的不锈钢板在100毫升由乙醇、乙醚和丙酮组成的凝固液(乙醇、乙醚和丙酮的体积比为3∶2∶1)中在20℃下浸渍60分钟，进行固化、成孔、在40℃下干燥20小时，然后在25℃的水中超声清洗1小时，之后在40℃下干燥20小时，得到多孔的聚酰胺酸膜；
(4)采用梯度升温逐步亚胺化的方式，将上述多孔的聚酰胺酸膜在氮气中加热进行亚胺化，得到厚度为33微米的聚酰亚胺隔膜。加热的方式是在150℃下保持1小时，200℃下保持1小时，250℃下保持1小时，320℃下保持1小时。
采用扫描电子显微镜来观察上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔分布，所得到扫描电子显微镜照片如图1所示。从该图中可以看出，膜的表面及内部错综分布着大量的贯通的孔洞，贯通孔相互连接形成曲折孔道，孔的分布和孔径均较为均匀，孔的形貌较好。
采用压汞法测量出上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔直径在115-150纳米的孔的孔体积占总孔体积的91％，而该膜的平均孔直径为130纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径分布很均匀。
经过线分析法，测得：第一表面的孔分布情况为：直径为70纳米-4.5微米的孔占孔面积的85％；下表面的孔分布情况为：20-800纳米的孔占总孔面积的82％。
实施例2
按照实施例1的方法制备聚酰亚胺隔膜，不同的是，在步骤(1)中加入的成孔物质丙二醇甲醚醋酸酯的量为6克，得到粘稠状的混合物，该混合物的特性粘度ηint＝180毫升/克(测定条件：乌氏黏度计，恒温30℃，混合物稀释到固含量为0.005克/毫升)。最终得到厚度为19微米的聚酰亚胺隔膜。
采用压汞法测量出上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔直径在160-190纳米的孔的孔体积占总孔体积的78％，而该的平均孔直径为175纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径分布很均匀。
经过线分析法，测得：第一表面的孔分布情况为：直径为60纳米-8微米的孔占总孔面积的86％；下表面的孔分布情况为：10纳米-5微米的孔占总孔面积的93％。
实施例3
按照实施例1的方法制备聚酰亚胺隔膜，不同的是，在步骤(1)中加入的成孔物质丙二醇甲醚醋酸酯的量为5克，得到粘稠状的混合物，该混合物的特性粘度ηint＝160毫升/克(测定条件：乌氏黏度计，恒温30℃，混合物稀释到固含量为0.005克/毫升)。最终得到厚度为14微米的聚酰亚胺隔膜。
采用压汞法测量出上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔直径在160-210纳米的孔的孔体积占总孔体积的88％，而该膜的平均孔直径为195纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径分布很均匀。
经过线分析法，测得：第一表面的孔分布情况为：直径为200纳米-9微米的孔占总孔面积的87％；第二表面的孔分布情况为：50纳米-250微米的孔占总孔面积的85％。
实施例4
(1)将4，4’-二氨基二苯醚和二苯酮四酸二酐(BTDA)以1∶1的摩尔比加入到300毫升N，N-二甲基乙酰胺中，其中固含量为12重量％。在40℃下搅拌反应10个小时，然后加入4克癸酸，并后在该温度下真空脱气1小时，得到粘稠状的混合物，该混合物的特性粘度ηint＝188毫升/克(测定条件：乌氏黏度计，恒温30℃，混合物稀释到固含量为0.005克/毫升)；
(2)在温度为30℃、相对湿度为60％条件下，将上述混合物涂覆在不锈钢板上，在120℃下干燥8分钟后得到聚酰胺酸膜；
(3)将上述带有聚酰胺酸膜的不锈钢板在500毫升由乙醇和乙醚组成的凝固液(乙醇和乙醚的体积比为2∶1)中在25℃下浸渍60分钟，进行固化、成孔、在40℃下干燥5小时，然后在25℃水中超声清洗1小时，之后在40℃下干燥20小时，得到多孔的聚酰胺酸膜；
(4)采用梯度升温逐步酰亚胺化的方式，将上述多孔的聚酰胺酸膜在氮气中加热进行酰亚胺化，得到厚度为26微米的聚酰亚胺隔膜。加热的方式是在160℃下保持1小时，210℃下保持0.8小时，230℃下保持1.2小时，320℃下保持1小时。
采用压汞法测量出上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔直径在275-300纳米的孔的孔体积占总孔体积的87％，而该膜的平均孔直径为290纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径分布很均匀。
经过线分析法，测得：上表面的孔分布情况为：直径为850纳米-3微米的孔占总孔面积的80％；下表面的孔分布情况为：100纳米-1微米的孔占总孔面积的78％。
实施例5
(1)将4，4’-二氨基二苯醚和联苯四甲酸二酐以1∶1的摩尔比加入到100毫升NMP中，其中固含量为12重量％。在55℃下搅拌反应8个小时，然后加入1克邻苯二甲酸二壬脂、癸酸和邻苯二甲酸二辛脂的混合物(体积比为4∶3∶1)，并在该温度下真空脱气2小时，得到粘稠状的混合物，该混合物的特性粘度ηint＝145毫升/克(测定条件：乌氏黏度计，恒温30℃，混合物稀释到固含量为0.005克/毫升)；
(2)在温度为30℃、相对湿度为70％条件下，将上述混合物涂覆在不锈钢板上，在100℃下干燥10分钟后得到聚酰胺酸膜；
(3)将上述带有聚酰胺酸膜的不锈钢板在1000毫升丙酮中在25℃下浸渍30分钟，进行固化、成孔、在40℃下干燥10小时，得到多孔的聚酰胺酸膜；
(4)采用梯度升温逐步酰亚胺化的方式，将上述多孔的聚酰胺酸膜在氮气中加热进行酰亚胺化，得到厚度为23微米的聚酰亚胺隔膜。加热的方式是在150℃下保持1小时，200℃下保持1小时，250℃下保持1小时，300℃下保持1小时。
采用压汞法测量出上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔直径在40-80纳米的孔的孔体积占总孔体积的79％，而该膜的平均孔直径为60纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径分布很均匀。
经过线分析法，测得：上表面的孔分布情况为：直径为200纳米-3微米的孔占总孔面积的76％；下表面的孔分布情况为：20纳米-900纳米的孔占总孔面积的88％。
实施例6
(1)将4，4’-二氨基二苯醚和联苯四甲酸二酐以1∶1的摩尔比加入到100毫升DMF中，其中固含量为15重量％。在20℃下搅拌反应8个小时，然后加入3克邻苯二甲酸二壬脂，并在15℃下真空脱气2小时，得到粘稠状的混合物，该混合物的特性粘度ηint＝166毫升/克(测定条件：乌氏黏度计，恒温30℃，混合物稀释到固含量为0.005克/毫升)；
(2)在温度为30℃、相对湿度为40％条件下，将上述混合物涂覆在不锈钢板上，自然晾干60分钟后得到聚酰胺酸膜；
(3)将上述带有聚酰胺酸膜的不锈钢板在500毫升乙醇中在25℃下浸渍60分钟，进行固化、成孔、在40℃下干燥10小时，得到多孔的聚酰胺酸膜；
(4)采用梯度升温逐步酰亚胺化的方式，将上述多孔的聚酰胺酸膜在氮气中加热进行酰亚胺化，得到厚度为45微米的聚酰亚胺隔膜。加热的方式是在150℃下保持1小时，200℃下保持1小时，250℃下保持1小时，320℃下保持1小时。
采用压汞法测量出上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔直径在80-110纳米的孔的孔体积占总孔体积的85％，而该膜的平均孔直径为97纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径分布很均匀。
经过线分析法，测得：上表面的孔分布情况为：直径为450纳米-2.5微米的孔占总孔面积的77％；下表面的孔分布情况为：200纳米-3微米的孔占总孔面积的76％。
实施例7
(1)将4，4’-二氨基二苯醚和联苯四甲酸二酐以1∶1的摩尔比加入到100毫升N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)中，固含量为10重量％，在20℃下搅拌反应4个小时，然后加入2.5克苯甲酸一缩乙二醇脂，并在15℃下真空脱气2小时，得到粘稠状的混合物，该混合物的特性粘度ηint＝178毫升/克(测定条件：乌氏黏度计，恒温30℃，混合物稀释到固含量为0.005克/毫升)；
(2)在温度为30℃、相对湿度为40％条件下，将上述混合物涂覆在不锈钢板上，自然晾干60分钟后得到聚酰胺酸膜；
(3)将上述带有聚酰胺酸膜的不锈钢板在1000毫升硫酸中在25℃下浸渍45分钟，进行固化、成孔，然后在30℃的丙酮中浸渍10小时，之后在70℃下干燥10小时，得到多孔的聚酰胺酸膜；
(4)采用梯度升温逐步酰亚胺化的方式，将上述多孔的聚酰胺酸膜在氮气中加热进行酰亚胺化，得到厚度为18微米的聚酰亚胺隔膜。加热的方式是在150℃下保持1小时，200℃下保持1小时，250℃下保持1小时，320℃下保持1.5小时。
采用压汞法测量出上述得到的聚酰亚胺隔膜的孔直径在195-220纳米的孔的孔体积占总孔体积的89％，而该膜的平均孔直径为210纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径分布很均匀。
经过线分析法，测得：上表面的孔分布情况为：直径为500纳米-5微米的孔占总孔面积的85％；下表面的孔分布情况为：300纳米-2微米的孔占总孔面积的89％。
对比例1
将均苯四甲酸二酐、二氨基二苯醚、聚合链一端含氨基的聚苯乙烯(重均分子量为15000，购自Aldrich公司)以1∶1∶0.008的摩尔比加入到100毫升N-2-甲基吡咯烷酮(NMP)在室温下搅拌混合均匀，得到均一的溶液，该溶液的固含量为10重量％，然后用工字形涂膜涂布器进行涂膜，得到厚度为0.5毫米的膜。
将该膜在120℃加热2小时去除溶剂，然后以5℃/分钟程序升温至300℃进行酰亚胺化3小时，再升温到350℃保持1.5小时，最后冷却至120℃同时进行双轴向拉伸处理，拉伸速度10毫米/分钟，拉伸比纵向(MD)为2倍，横向(TD)为2倍，由此得到隔膜。
其中傅立叶变换红外谱图中存在1720cm-1附近的强峰为C＝O伸缩振动吸收峰、1380cm-1附近的中强峰为C-N伸缩振动吸收峰，说明产物中有酰亚胺基团，谱图中存在1600厘米-1、1575厘米-1、1490厘米-1、1450厘米-1的吸收峰(苯环特征峰)，说明产物中存在苯环。
采用压汞法测量出上述得到的隔膜的孔直径在30-65纳米的孔的孔体积占总孔体积的45％，而该膜的平均孔直径为50纳米。说明该聚酰亚胺隔膜的孔径很不均匀。
1、膜性能性能测试
(1)测试隔膜第一、第二表面表面孔径分布
采用线分析法：
分别选取多张隔膜第一表面、第二表面的扫描电镜照片，每张照片上至少选4条不同取向截线，其中两条为对角线，另两条为十字线。孔径处于[a，b]区间的孔的孔面积占总孔面积的百分比：
S′a，b＝∑La，b/∑Li
∑Li为随机配置线上处于孔径介于[a，b]区间的孔内的线段总长度；
∑La，b为随机配置线上处于所有孔内的线段总长度。
(2)、测试膜的孔隙率和平均孔径
采用压汞法使用压汞仪(DEMO AutoPore 9500，美国)测定膜样品的孔隙率和平均孔径。
(3)、测试膜的拉伸强度和伸长率
按照GB1040-79的塑料拉伸试验方法来测试膜样品的拉伸强度和伸长率。
(4)、测试透气性
按照JIS P8117中描述的方法来测量膜样品的透气性。
按照上述测试方法2-4对实施例1-7和对比例1中所得到的聚酰亚胺隔膜进行性能测试，所得结果示于表1中。
表1
| 实施例 | 平均孔径(纳米) | 孔隙率(％) | 透气性(秒/100cc) | 伸长率(％) | 强度(兆帕) |
| 实施例1 | 130 | 65 | 180 | 5.6 | 78 |
| 实施例2 | 175 | 33 | 150 | 6.0 | 34 |
| 实施例3 | 195 | 50 | 120 | 12.2 | 68 |
| 实施例4 | 290 | 29 | 47 | 8.5 | 43 |
| 实施例5 | 60 | 36 | 143 | 7.8 | 97 |
| 实施例6 | 97 | 24 | 110 | 9.0 | 52 |
| 实施例7 | 210 | 71 | 64 | 4.0 | 86 |
| 对比例1 | 50 | 50 | 450 | 3.6 | 70 |
从表1的结果可以看出，采用本发明提供的方法制备的聚酰亚胺隔膜的平均孔径在60至290纳米之间，孔隙率、透气性和机械强度都非常好，符合锂离子电池隔膜对孔径的要求。从对比例1与实施例7的测试数据的比较可以看出，对比例1中得到的聚酰亚胺隔膜的孔隙率、透气性和机械强度都较差。
2、测试电池性能
(1)正极的制备
将100克正极活性物质LiCoO2、2克粘合剂偏二氟乙烯(PVDF)、3克导电剂乙炔黑的混合物加入到40克N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的正极浆料。
将该浆料均匀地涂布在铝箔上，然后150℃下烘干、辊压、裁切制得尺寸为390毫米×40毫米×18微米的正极，其中含有5.8克活性成分LiCoO2。
(2)负极的制备
将100克负极活性物质天然石墨、1.5克粘合剂聚四氟乙烯(PTFE)和1.5克羧甲基纤维素(CMC)的混合物加入到100克水中，然后在真空搅拌机中搅拌形成均匀的负极浆料。
将该负极浆料均匀地涂布在铜箔的两侧上，然后在90℃下烘干，辊压、裁切制得尺寸为395毫米×41毫米×12微米的负极，其中含有2.6克活性成分天然石墨。
(3)用本发明的隔膜制作电池
将上述得到的正极、负极与隔膜依次叠层并卷绕好后纳入4.0毫米×34毫米×46毫米的方形铝壳中。所述隔膜分别为由实施例1-7和对比例1中制得的多孔聚酰亚胺隔膜。
将在溶剂(碳酸亚乙酯∶甲基乙基碳酸酯∶碳酸二乙酯(EC/EMC/DEC)体积比为1∶1∶1)中含有1摩尔的六氟磷酸锂(LiPF6)的电解液约2.4克注入上述电池中，并按照常规方式陈化，密封电池铝壳即得到锂离子二次电池。该电池的设计容量为750毫安时。
(4)电池耐高温性能测试
测试方法如下：将电池进行1C充电到100％充电态，放置在烘箱中，烘箱温度以5℃/分钟从室温升高到150℃并保持10分钟，未出现短路情况时继续以5℃/分钟升高至180℃并保持10分钟，其中电池电压跌落大于0.2伏视为短路。
(5)电池寿命测试
测试方法如下：在25℃±5℃下，将电池进行循环充放电500次，记录剩余电量。剩余电量越高，电池寿命越长。
将用实施例1-7和对比例1中所制成的聚酰亚胺隔膜制作的电池，按照上述测试方法进行电池耐高温性能和寿命测试，所得到的结果列于表2中。
表2
从表2的结果可以看出，用本发明的锂离子二次电池的隔膜制备的锂离子电池具有更好的安全性和更长的使用寿命。
Claims (5)
1.一种锂离子电池用聚酰亚胺隔膜，其特征在于，沿聚酰亚胺隔膜厚度的方向上，所述聚酰亚胺隔膜具有第一表面和第二表面，且所述第一表面至第二表面由曲折孔道相连通，曲折孔道由贯通孔相互连接形成，50纳米-10微米的孔的孔面积占第一表面孔面积的75％以上；在隔膜的第二表面，孔直径为5纳米-5微米的孔的孔面积占第二表面孔面积的75％以上，采用压汞法测得，隔膜中间，直径为40-300纳米的孔的孔体积占总孔体积的75％以上。
2.根据权利要求1所述的聚酰亚胺隔膜，其中，采用线分析法可以测得，孔直径为200纳米-10微米的孔的孔面积占第一表面孔面积的60％以上；在聚酰亚胺隔膜的第二表面，孔直径为5纳米-1.5微米的孔的孔面积占第二表面孔面积的60％以上，隔膜中间孔直径为50-250纳米的孔的孔体积占总孔体积的70％以上。
3.根据权利要求1所述的隔膜，其中，所述隔膜的透气性为10-250秒/100cc。
4.根据权利要求3所述的隔膜，其中，所述隔膜的透气性为20-150秒/100cc。
5.一种锂离子电池，该电池包括电池外壳和封装在该外壳内部的电极组和电解液，所述电极组包括依次卷绕或叠置的正极、隔膜和负极，其特征在于，所述隔膜为权利要求1-4中任意一项所述的聚酰亚胺隔膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100623 |