CN102208586B - 一种动力锂离子电池隔膜的制备方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动力锂离子电池隔膜的制备方法，首先，将原材料加入搅拌机内充分搅拌，其次，投入到双螺杆挤出机加热连续挤出并形成基片，第三，从挤出机挤出的基片经过分流进入相同的两条加工线并同时进行分别加工，分别加工的加工路线是：1、冷却成型；2、通过双向拉伸设备对冷却成型的基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜；3、使用烷烃类萃取剂，将隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；4、将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发；5、对隔膜进行热处理。解决了现有技术中生产电池隔膜的设备使用量大、设备成本较高和制得的锂离子电池隔膜次品发生率、生产要求较高的缺陷。

Description

一种动力锂离子电池隔膜的制备方法及系统

技术领域

本发明涉及一种制备方法，尤其涉及一种动力锂离子电池隔膜的制备方法。

背景技术

可充电锂离子二次电池具有高比能量、长循环寿命、无记忆效应的特性，又具有安全、可靠且能快速充放电等优点，因而成为近年来新型电源技术研究的热点。由于锂离子电池是绿色环保型无污染的二次电池，符合当今各国能源环保方面大的发展需求，在各行各业的使用量正在迅速增加。目前二次锂离子电池除广泛用于日常熟知的手机、笔记本电脑以及MP3等数码电子产品外，近年在电动车、电动自行车等一些大功率电池方面也已经开始使用。从2001年起，全球锂离子电池产量以每年40％的速度在迅速递增。

隔膜是锂离子电池的重要组成部分，其性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环性能等特性。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。但是，以往的制备工艺会导致锂离子电池隔膜成孔不均匀且膜厚不均匀，从而影响锂离子电池的质量。

中国专利号为200810042043.0的发明专利公布了一种锂离子电池隔膜的方法。该锂离子电池隔膜的方法步骤如下：

一、将分子量为700万~100万的超高分子聚乙烯、聚降冰片烯交联剂、抗氧剂和矿物油按一定比例配比加入搅拌机内以40～300rpm的速度将原材料充分进行搅拌，其中，矿物油与抗氧剂的质量比为1500~1600∶1，矿物油与超高分子聚乙烯的质量比为4~8∶1，交联剂与矿物油的质量比为1∶30~35；

二、将由步骤一搅拌后的混合物投入双螺杆挤出机以100～250℃加热连续挤出，形成基片；

三、用2～20米/分钟的速度使从双螺杆挤出机挤出的基片通过温度范围为5～40℃的冷却成型机进行冷却成型；

四、通过双向拉伸设备以2～20米/分钟的速度对基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜，拉伸成型的隔膜厚度达到30～100μm，隔膜针刺强度为300～600gf；

五、将宽度为1500～2500毫米的隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；

六、在100～160℃的温度下对隔膜进行1～3分钟的热处理；

七、卷曲锂电池隔膜进行分切包装。

上述方法解决了传统技术中隔膜厚度不够均匀且成本较高的问题，但是还存在着下述缺陷：

第一，上述方法中是采用一条龙的加工工艺，这样会增加加工设备的数量和成本；

第二，上述方法中步骤一中使用的聚降冰片烯交联剂，增加了制作成本；

第三，上述方法萃取隔膜中的矿物油后，隔膜上残存的萃取剂不能保证充分的挥发，导致隔膜质量下降；同时隔膜存在形状容易出现隔膜偏差较大的问题；

第四，上述方法中各项参数的参考范围的限定比较苛刻，对原材料和生产工艺的要求都较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力锂离子电池隔膜的制备方法，以解决现有技术中生产锂离子电池隔膜的设备使用量大、设备成本较高和制得的锂离子电池隔膜次品发生率、生产要求较高的缺陷。

为了达到上述目的，本发明提供一种动力锂离子电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：

一、将超高分子聚乙烯、抗氧剂和矿物油按一定比例配比加入搅拌机内将原材料充分进行搅拌；

二、将由步骤一搅拌后的混合物投入双螺杆挤出机加热连续挤出，形成基片；

三、从双螺杆挤出机挤出的基片经过分流进入第一加工线和第二加工线同时进行分别加工；

四、进入第一加工线的基片的加工：

（1）进入第一加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对冷却成型的基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜；

（3）使用烷烃类萃取剂，将隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发；

（5）对隔膜进行热处理。

 进入第二加工线的基片的加工：

（1）进入第二加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对冷却成型的基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜；

（3）使用烷烃类萃取剂，将隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发；

（5）对隔膜进行热处理。

较佳地，所述横向拉伸设备包括用以夹紧萃取后的隔膜的夹紧装置、使夹紧装置向前移动的轨道及对夹紧装置和轨道进行支撑的支撑件，夹紧装置包括位于隔膜两侧的左夹紧单元和右夹紧单元，所述轨道长度为20~30米，且轨道与隔膜运动方向成一个小于5°的斜角向外偏离。

较佳地，步骤一所使用的超高分子量聚乙烯的分子量为100万以上，矿物油与抗氧剂的质量比为500~1800∶1，矿物油与超高分子聚乙烯的质量比为3~9∶1。

较佳地，步骤二所述双螺杆挤出机以80～300℃加热连续挤出。

较佳地，双向拉伸设备以5～50米/分钟的速度对基片进行横、纵双向同时拉伸，拉伸成型的隔膜厚度为10～150μm。

较佳地，步骤四所使用的烷烃类萃取剂的浓度为80%~99.9%。

较佳地，步骤四中所述横向拉伸设备，以8~50米/分钟的速度对隔膜进行定型

较佳地，在60～150℃的温度下对隔膜进行1～10分钟的热处理。

较佳地，在隔膜完成步骤七的热处理之后，还需对成品隔膜进行卷曲、分切和包装的工作。

一种动力锂离子电池隔膜的制备系统，包括搅拌装置、挤出装置、第一加工线子系统和第二加工线子系统，所述挤出装置连接在搅拌装置之后，所述第一加工线子系统和所述第二加工线子系统分别连接在所述挤出装置之后，所述第一加工线子系统和所述第二加工线子系统相同，分别包括冷却成型装置、双向拉伸装置、萃取装置、横向拉伸装置、热处理装置，所述冷却成型装置连接在所述挤出装置之后，所述冷却成型装置、双向拉伸装置、萃取装置、横向拉伸装置、热处理装置依次连接。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明在挤出机后面连接两条相同的加工线进行同时加工，即两条加工线的前面共同使用搅拌机和挤出机，减少了设备的使用量，减少了设备的成本；

2、本发明在原材料实用方面去除了交联剂的使用，提高了技术水平，节省了成本；

3、本发明的动力锂离子电池隔膜制备流程加入了隔膜横向拉伸的工艺，对隔膜进行了拉伸、纠偏和定型的工作，同时使残余的萃取剂得到充分的挥发，且降低了次品率的出现；

4、放宽了部分参数的限定范围，降低了对原材料及生产工艺的要求；

5、新的发明在超高分子的选用上选择范围更广；

6、可选用浓度低的萃取剂进行萃取，达到同样的效果；

7、提高了拉伸速度，可以提高工作效率，降低成本；

8、使用横向拉伸设备后，热处理的温度也将会降低，热处理温度可由原来的100～160℃降低到60～150℃，节省能耗，降低成本；

9、通过加入横向拉伸过程对隔膜进行拉伸后，可以生产出宽度更宽的锂电池隔膜。

附图说明

图1为本发明一种动力锂离子电池隔膜的制备连接示意图；

图2为横向拉伸装置结构图。

具体实施方式

本实用新型提供一种动力锂离子电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：

一、将超高分子聚乙烯、抗氧剂和矿物油按一定比例配比加入搅拌机内将原材料充分进行搅拌；

二、将由步骤一搅拌后的混合物投入双螺杆挤出机加热连续挤出，形成基片；

三、从双螺杆挤出机挤出的基片经过分流进入第一加工线和第二加工线同时进行分别加工；

四、进入第一加工线的基片的加工：

（1）进入第一加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对冷却成型的基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜；

（3）使用烷烃类萃取剂，将隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发；

（5）对隔膜进行热处理。

 进入第二加工线的基片的加工：

（1）进入第二加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对冷却成型的基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜；

（3）使用烷烃类萃取剂，将隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发；

（5）对隔膜进行热处理。

第一加工线和第二加工线共同使用了搅拌机和挤出机的加工工艺，第一加工线和第二加工线使用的设备及其操作方法相同，以下列举一具体实施例加以详细描述。

实施例1，本实施例中一种锂离子电池隔膜制备方法的步骤如下：

一、将超高分子聚乙烯、抗氧剂和矿物油按一定比例配比加入搅拌机内将原材料充分进行搅拌，其中，矿物油与抗氧剂的质量比为1000~2000∶1，矿物油与超高分子聚乙烯的质量比为2~10∶1。

本实施例中的超高分子聚乙烯的分子的分子量为100万以上。

二、将由步骤一搅拌后的混合物投入双螺杆挤出机加热连续挤出，形成基片。

这里双螺杆挤出机的螺杆直径为10~150毫米，其挤出量大于200公斤每小时。

三、从双螺杆挤出机挤出的基片经过分流进入第一加工线和第二加工线同时进行分别加工。

四、进入第一加工线的基片的加工：

（1）进入第一加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜，拉伸成型的隔膜厚度达到10～150μm。

（3）使用80%~99.9%的高浓度烷烃类萃取剂，将宽度为1000～3000的隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油，并一次成孔。

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，以5~50米/分钟的速度对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发。

（5）对隔膜进行3～15分钟的热处理。

此外，在隔膜完成（5）的热处理之后，还需对成品隔膜进行卷曲、分切和包装的工作。

进入第二加工线的基片的加工：

（1）进入第一加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜，拉伸成型的隔膜厚度达到10～150μm。

（3）使用80%~99.9%的高浓度烷烃类萃取剂，将宽度为1000～3000的隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油，并一次成孔。

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，以5~50米/分钟的速度对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发。

（5）对隔膜进行3～15分钟的热处理。

此外，在隔膜完成（5）的热处理之后，还需对成品隔膜进行卷曲、分切和包装的工作。

本发明的方法可以通过如下一种动力锂离子电池隔膜制备设备实现，请参考图1，其为本发明实施例的一种动力锂离子电池隔膜制备系统结构图。此动力锂离子电池隔膜制备系统包括搅拌装置1、挤出装置2、第一加工线子系统和第二加工线子系统，挤出装置2连接在搅拌装置1之后，第一加工线子系统和第二加工线子系统分别连接在挤出装置2之后，第一加工线子系统和第二加工线子系统相同，分别包括冷却成型装置3、双向拉伸装置4、萃取装置5、横向拉伸装置6、热处理装置7，冷却成型装置3连接在挤出装置2之后，冷却成型装置3、双向拉伸装置4、萃取装置5、横向拉伸装置6、热处理装置7依次连接。

即此制备系统包括搅拌装置1、挤出装置2，挤出装置连接在搅拌装置后面，挤出装置后面连接两条相同的设备加工线，即第一加工线和第二加工线，第一加工线和第二加工线分别包括冷却成型装置3、双向拉伸装置4、萃取装置5、横向拉伸装置6、热处理装置7，冷却成型装置3、双向拉伸装置4、萃取装置5、横向拉伸装置6、热处理装置7依次连接。

    在本发明的动力锂离子电池隔膜制备系统工作时，首先将一定比例的超高分子聚乙烯、抗氧剂和矿物油加入搅拌装置1中充分进行搅拌。其中，矿物油与抗氧剂的质量比为1000~2000∶1，矿物油与超高分子聚乙烯的质量比为2~10∶1。超高分子聚乙烯的分子量在100万以上。矿物油的可利用粘度等级为30～60之间。    

在超高分子聚乙烯、抗氧剂和矿物油经过搅拌装置1的充分搅拌后，将其混合物加入挤出装置2，并加热连续挤出，形成基片，此基片的厚度为0.1～15mm。其中挤出装置2可以是双螺杆挤出机，其螺杆直径为10~150毫米，挤出量大于200公斤每小时。

    挤出装置2挤出基片后，这些挤出后的基片通过两条传送带分流成两路，即第一路基片和第二路基片，第一路基片进入第一加工线，第二路基片进入第二加工线，第一加工线和第二加工线的加工设备和加工工艺相同，以下以第一加工线为例加以描述：第一路基片通过冷却成型装置3，对基片进行冷却成型。冷却成型装置3可以由六组冷却模块组成，每组模块有两个冷却辊，每组冷却模块的温度不同，冷却成型可以使基片中超高分子聚乙烯不结晶，达到膜厚度均一的目的。

    基片经过冷却成型装置3冷却成型后，再通过双向拉伸装置4进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成厚度为10～150μm。双向拉伸装置4为横纵向同时拉伸，可以通过调节拉伸比例来调节拉伸强度，这样可以保证膜厚度均匀，横纵向拉伸比例可以根据膜厚程度进行调整。

    隔膜经过双向拉伸装置4拉伸成型后，再经过萃取装置5进行一次萃取，并萃取出隔膜中的矿物油。萃取装置5可以是萃取槽。萃取装置5中的萃取剂可以是正葵烷、正庚烷、二氯甲烷等，其中烷烃类的萃取剂可以使隔膜中的矿物油完全析出。

隔膜经过萃取装置5萃取后，进入横向拉伸装置6。请参考图2，横向拉伸设备包括用以夹紧萃取后的隔膜的夹紧装置601、使夹紧装置向前移动的轨道602及对夹紧装置和轨道进行支撑的支撑件603。当隔膜进入横向拉伸装置6后，左夹紧单元601和右夹紧单元将隔膜的两侧夹紧。夹紧后，隔膜随着夹紧装置601在导轨602作用下以5~50米/分钟的速度向前运动。由于轨道602与隔膜运动方向成一个小于5°的斜角向外偏离，随着隔膜的向前运动，左夹紧单元601和右夹紧单元之间的距离逐渐增大，隔膜逐渐被横向拉伸展开，此过程完成了隔膜的纠偏和定型。同时，导轨的长度设定为20~30米，在整个运动的过程中残余在隔膜上的萃取剂能够得到更充分的挥发，通过横向拉伸隔膜的厚薄均一性得到更好的控制。

最后通过热处理装置7对其进行6～12分钟热处理。

只要对处理后的隔膜进行卷曲、分切和包装等工序后就可以得到动力锂离子电池隔膜的成品。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明在挤出机后面连接两条相同的加工线进行同时加工，即两条加工线的前面共同使用搅拌机和挤出机，减少了设备的使用量，减少了设备的成本；

2、本发明在原材料实用方面去除了交联剂的使用，提高了技术水平，节省了成本；

3、本发明的动力锂离子电池隔膜制备流程加入了隔膜横向拉伸的工艺，对隔膜进行了拉伸、纠偏和定型的工作，同时使残余的萃取剂得到充分的挥发，且降低了次品率的出现；

4、放宽了部分参数的限定范围，降低了对原材料及生产工艺的要求；

5、新的发明在超高分子的选用上选择范围更广；

6、可选用浓度低的萃取剂进行萃取，达到同样的效果；

7、提高了拉伸速度，可以提高工作效率，降低成本；

8、使用横向拉伸设备后，热处理的温度也将会降低，热处理温度可由原来的100～160℃降低到60～150℃，节省能耗，降低成本；

9、通过加入横向拉伸过程对隔膜进行拉伸后，可以生产出宽度更宽的锂电池隔膜。

    以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。 

Claims (6)

1.一种动力锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、将超高分子聚乙烯、抗氧剂和矿物油按一定比例配比加入搅拌机内将原材料充分进行搅拌，其中，超高分子量聚乙烯的分子量为100万以上，矿物油与抗氧剂的质量比为500～1800∶1，矿物油与超高分子聚乙烯的质量比为3～9∶1；

二、将由步骤一搅拌后的混合物投入双螺杆挤出机加热连续挤出，形成基片；

三、从双螺杆挤出机挤出的基片经过分流进入第一加工线和第二加工线同时进行分别加工；

四、进入第一加工线的基片的加工：

（1）进入第一加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对冷却成型的基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜；

（3）使用烷烃类萃取剂，将隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发；

（5）在60～150℃的温度下对隔膜进行6～12分钟热处理；

进入第二加工线的基片的加工：

（1）进入第二加工线的基片经过一组冷却辊组进行冷却成型；

（2）通过双向拉伸设备对冷却成型的基片进行横、纵双向同时拉伸，使基片拉伸成隔膜；

（3）使用烷烃类萃取剂，将隔膜通过萃取槽萃取出隔膜中的矿物油；

（4）将萃取后的隔膜通过横向拉伸设备，对隔膜进行定型、拉伸、纠偏，并确保隔膜上的残余萃取液的挥发；

（5）在60～150℃的温度下对隔膜进行6～12分钟热处理。

2.如权利要求1所述的动力锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，所述横向拉伸设备包括用以夹紧萃取后的隔膜的夹紧装置、使夹紧装置向前移动的轨道及对夹紧装置和轨道进行支撑的支撑件，夹紧装置包括位于隔膜两侧的左夹紧单元和右夹紧单元，所述轨道长度为20～30米，且轨道与隔膜运动方向成一个小于5°的斜角向外偏离。

3.如权利要求1所述的动力锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤二所述双螺杆挤出机以80～300℃加热连续挤出。

4.如权利要求1所述的动力锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，双向拉伸设备以5～50米/分钟的速度对基片进行横、纵双向同时拉伸，拉伸成型的隔膜厚度为10～150μm。

5.如权利要求1所述的动力锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤四中所述横向拉伸设备，以8～50米/分钟的速度对隔膜进行定型。

6.如权利要求1所述的动力锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，在隔膜完成步骤四的热处理之后，还需对成品隔膜进行卷曲、分切和包装的工作。

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