CN103059375A - 一种锂离子电池隔膜母料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池隔膜母料的制备方法，按重要份数计，该锂离子电池隔膜母料由60～90份的高密度聚乙烯、0.1～0.5份的交联剂、9.9～39.5份的亲水改性三氧化二铝纳米粉体组成。其制备方法是将各组份混合均匀，然后在160C～180C下进行挤出、牵引、造粒，制得锂离子电池隔膜母料。本发明采用了亲水改性三氧化二铝纳米粉体作为增强增韧剂和亲水填料，与传统的高密度聚乙烯隔膜原料相比，该母料具有更加优异的韧性、更高的熔融温度及电解液浸润性；因此该母料是制备高性能锂离子电池隔膜材料的重要基础。

Description

一种锂离子电池隔膜母料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池隔膜材料，具体涉及一种锂离子电池隔膜母料及其制备方法；该锂离子电池隔膜母料可用于制造性能优良的锂离子电池隔膜。

背景技术

锂离子电池隔膜是锂离子电池的重要组成部分，主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。因此隔膜的性能很大程度上决定了电池的容量、内阻及循环性能，对提高电池的综合性能具有重要意义。目前商业化的锂离子电池隔膜主要是聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃材料，这是因为聚烯烃化合物能在较合理的成本范围内能提供良好的机械强度和耐热性能，并且在高温下还具备热关闭性能，从而提高了锂离子电池隔膜的安全性能。

采用高密度聚乙烯作为锂电池隔膜原料，其缺点在于：1、隔膜的熔融温度较低，当温度上升到它们的软化温度和熔融温度时，隔膜就会发生热收缩和熔化。为改善隔膜的热收缩性和提升热安全性能，目前采用较多的改性方法是薄膜表面接枝耐热基团、添加耐热涂层、薄膜材料交联。2、隔膜亲水性能差，由此导致隔膜的电解液浸润性能差，聚乙烯由于其分子结构特性表现出低极性和疏水性，对电解质的亲和性较差，提高隔膜电解液浸润性，有利于提升锂离子电池的离子导电性和充放电循环性能。目前针对电解液浸润性、亲水性改善的研究主要是采用等离子处理、紫外光照射、化学接枝等手段在隔膜表面接枝亲水性基团。

如何提高锂离子电池隔膜的熔融温度及对电解液的浸润性，是提升锂离子电池的安全性能和导电循环性能重要环节，同时也是锂离子电池制造行业需要解决的重要课题和技术难题。

例如，中国发明专利CN101735470A公开了一种利用聚丙烯薄膜辐射接枝改性制备锂离子电池隔膜的方法，通过辐射接枝改性，接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯，得到改性聚丙烯电池隔膜。该隔膜在锂离子电池中进行恒流充放电测试表明具有良好的电化学性能。此发明采用辐射法虽能较好地使聚丙烯发生接枝反应，但是一次性投资费用大，操作和维护技术复杂，运行中安全防护问题也比较苛刻。此外，在聚丙烯表面接枝极性酯基，可在一定程度上改善聚丙烯薄膜的电解液浸润性，但对聚丙烯薄膜的熔融温度没有改善作用。

中国发明专利CN101271965A公开了一种锂离子电池隔膜，其成份包括高分子量聚烯烃、引发剂、有机物增粘剂和纳米级无机填料。利用高分子量聚烯烃上接枝共聚亲水单体，所述的高分子量聚烯烃和亲水单体的质量比例为5～16。此发明所涉及的锂离子电池隔膜虽然具有良好的亲水性能，但是熔融温度没有得到提高，耐热性能没得到加强，同时成膜过程复杂，不易于提升工厂生产效率和隔膜的安全性能。

发明内容

本发明的目的是针对传统高密度聚乙烯锂离子电池隔膜的耐热性能差(熔融温度偏低)、电解液浸润性差的缺点，提供一种耐热性能好，电解液浸润好的锂离子电池隔膜母料，该母料可直接用于锂离子电池隔膜的生产，避免了生产锂离子电池隔膜选用普通原料带来的繁琐步骤。

本发明的另一目的在于提供上述锂离子电池隔膜母料的制备方法。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

一种锂离子电池隔膜母料：按重量份数计，该锂离子电池隔膜母料由60～90份的高密度聚乙烯、0.1～0.5份的交联剂、9.9～39.5份的亲水改性三氧化二铝纳米粉体组成；

所述的高密度聚乙烯的密度为0.95～0.96，平均分子量为200000-500000；

所述交联剂为叔丁基过氧化氢；

所述的亲水改性三氧化二铝由如下步骤制备：

(1)将等质量的粒径为50nm～200nm的三氧化二铝纳米粉体和丁二酸酐加入溶剂二氯甲烷中，室温搅拌；过滤、除去溶剂，用蒸馏水洗涤过滤所得固体，在真空烘箱中在60C～80C下烘干，得到羧基化的三氧化二铝；

(2)将等当量的[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵和乙二胺溶于甲醇中，在40C～60C下搅拌，然后减压旋转蒸发除去溶剂，所得产物用乙醚洗涤，在真空烘箱中在30C～40C下烘干，得到氨基化甜菜碱；

(3)将等质量的羧基化三氧化二铝粉体和氨基化甜菜碱溶于二氯甲烷溶剂中，加入4-二甲氨基吡啶和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为催化剂，在25C-30C下搅拌，然后减压条件下旋转蒸发除去溶剂，用乙醇洗涤过滤得到的粉体，在真空烘箱中在65C～80C下烘干，得到亲水改性三氧化二铝纳米粉体；所述4-二甲氨基吡啶和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐用量分别为羧基化三氧化二铝粉体质量的1/5-1/15。

为进一步实现本发明目的，所述4-二甲氨基吡啶用量优选为羧基化三氧化二铝粉体质量的1/10。

所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐用量优选为羧基化三氧化二铝粉体质量的1/10。

所述步骤(1)室温搅拌的时间优选为12～24小时。

所述步骤(2)40C～60C下搅拌时间优选为20～24小时。

所述步骤(3)25C-30C下搅拌时间优选为24～48小时。

所述二氯甲烷的用量优选为三氧化二铝纳米粉体质量的3-4倍。

所述的锂电池隔膜母料的制备方法，包括以下步骤：

(1)亲水改性三氧化二铝纳米粉体的制备；

(2)将重量份数60～90份的高密度聚乙烯、0.1～0.5份的交联剂、9.9～39.5份的亲水改性三氧化二铝纳米粉体混合均匀；

(3)在160C～180C下进行挤出、牵引、造粒，制得锂离子电池隔膜母料。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用亲水改性的三氧化二铝纳米粉体作为填料，一方面该纳米粉体分散在高密度聚乙烯树脂基体中，可以起到增强增韧与提高耐热性能的作用；另一方面，由于粉体含有亲水的甜菜碱基团，可赋予体系良好的亲水性，进而使材料具有优良的电解液浸润性；

(2)在制备锂离子电池隔膜母料的过程中，引入了在200C的较高温度下才能分解的交联剂叔丁基过氧化氢，该交联剂在制备母料的过程中不分解，而在注塑成型或吹膜成型过程中发生分解，使体系发生交联反应，从而进一步提高体系的耐热性能和增强。

(3)本发明制备的锂离子电池隔膜母料具有优异的韧性、强度、耐热性能和电解液浸润性。利用该锂离子电池隔膜母料制得的隔膜能很好地满足了高功率电池的需求。

(4)本发明锂离子电池隔膜母料的熔融温度比高密度聚乙烯原料的熔融温度提高10C以上；锂离子电池隔膜母料的抗冲击强度比高密度聚乙烯原料的抗冲击强度提高150％以上；锂离子电池隔膜母料的电解液浸润性比高密度聚乙烯原料的电解液浸润性提高100％以上。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1

亲水改性三氧化二铝由如下步骤制备：

(1)将等质量的粒径为50nm～200nm的三氧化二铝纳米粉体和丁二酸酐加入溶剂二氯甲烷(三氧化二铝纳米粉体质量的3倍)中，室温搅拌12小时；过滤、除去溶剂，用蒸馏水洗涤过滤所得固体，在真空烘箱中在60C下烘干，得到羧基化的三氧化二铝；50nm～200nm是指三氧化二铝纳米粉的粒径，不包括丁二酸酐的粒径。丁二酸酐是化学试剂，可溶于包括水在内的各种溶剂，一般不标注粒径。

(2)将等当量的[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵和乙二胺溶于甲醇中，在40C下搅拌20小时，然后减压旋转蒸发除去溶剂，所得产物用乙醚洗涤，在真空烘箱中在30C下烘干，得到氨基化甜菜碱；

(3)将等质量的羧基化三氧化二铝粉体和氨基化甜菜碱溶于二氯甲烷溶剂中，加入羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的4-二甲氨基吡啶和羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为催化剂，在25C下搅拌24小时，然后减压条件下旋转蒸发除去溶剂，用乙醇洗涤过滤得到的粉体，在真空烘箱中在65C下烘干，得到亲水改性三氧化二铝纳米粉体。

原料三氧化二铝粉体的吸水率为2.5％；而经过上述方法亲水改性后，亲水改性三氧化二铝纳米粉体的吸水率为100％(用称重法测量)。

锂离子电池隔膜母料的制备：称取高密度聚乙烯600克(密度0.95、平均分子量200000)、叔丁基过氧化氢5克，上述步骤制备的亲水改性三氧化二铝纳米粉体395克，将上述组份混合均匀，然后将所得混合物在挤出机中于160C下进行挤出、牵引、造粒，即制得锂离子电池隔膜母料。

为了对该锂离子电池隔膜母料的性能进行评价，用该母料注塑制成测试样品，进行性能测试，样品的冲击强度按《ASTM D256塑料悬臂梁冲击试验方法》测试，样品的熔融温度按《ASTM D3418示差扫描量热法测量聚合物的转变温度》测试，电解液浸润性按《ASTMD7334利用浸润性测量表面浸润性》测试。

所得样品的冲击强度为330J/m(冲不断)，比高密度聚乙烯原料提高150％；其熔融温度为146C，比高密度聚乙烯原料提高了12C；其电解液浸润性比高密度聚乙烯原料提高了150％。

实施例2

亲水改性三氧化二铝由如下步骤制备：

(1)将等质量的粒径为50nm～200nm的三氧化二铝纳米粉体和丁二酸酐加入溶剂二氯甲烷(三氧化二铝纳米粉体质量的3倍)中，室温搅拌24小时；过滤、除去溶剂，用蒸馏水洗涤过滤所得固体，在真空烘箱中在80C下烘干，得到羧基化的三氧化二铝；

(2)将等当量的[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵和乙二胺溶于甲醇中，在60C下搅拌24小时，然后减压旋转蒸发除去溶剂，所得产物用乙醚洗涤，在真空烘箱中在40C下烘干，得到氨基化甜菜碱；

(3)将等质量的羧基化三氧化二铝粉体和氨基化甜菜碱溶于二氯甲烷溶剂中，加入羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的4-二甲氨基吡啶和羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为催化剂，在30C下搅拌48小时，然后减压条件下旋转蒸发除去溶剂，用乙醇洗涤过滤得到的粉体，在真空烘箱中在80C下烘干，得到亲水改性三氧化二铝纳米粉体。经测试，改性三氧化二铝纳米粉体的吸水率为100％。吸水率的测试方法同实施例1。

称取高密度聚乙烯900克(密度0.96、平均分子量500000)、叔丁基过氧化氢1克，亲水改性三氧化二铝纳米粉体99克，将上述组份混合均匀，然后将所得混合物在挤出机中于180C下进行挤出、牵引、造粒，即制得锂离子电池隔膜母料。

为了对该锂离子电池隔膜母料的性能进行评价，用该母料注塑制成测试样品，进行性能测试，样品的冲击强度按《ASTM D256塑料悬臂梁冲击试验方法》测试，样品的熔融温度按《ASTM D3418示差扫描量热法测量聚合物的转变温度》测试，电解液浸润性按《ASTMD7334利用浸润性测量表面浸润性》测试。

所得样品的冲击强度为396J/m(冲不断)，比高密度聚乙烯原料提高了180％；其熔融温度为145C，比高密度聚乙烯原料提高了11C；其电解液浸润性比高密度聚乙烯原料提高了120％。

实施例3

亲水改性三氧化二铝由如下步骤制备：

(1)将等质量的粒径为50nm～200nm的三氧化二铝纳米粉体和丁二酸酐加入溶剂二氯甲烷(三氧化二铝纳米粉体质量的3倍)中，室温搅拌18小时；过滤、除去溶剂，用蒸馏水洗涤过滤所得固体，在真空烘箱中在70C下烘干，得到羧基化的三氧化二铝；

(2)将等当量的[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵和乙二胺溶于甲醇中，在50C下搅拌22小时，然后减压旋转蒸发除去溶剂，所得产物用乙醚洗涤，在真空烘箱中在35C下烘干，得到氨基化甜菜碱；

(3)将等质量的羧基化三氧化二铝粉体和氨基化甜菜碱溶于二氯甲烷溶剂中，加入羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的4-二甲氨基吡啶和羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为催化剂，在27C下搅拌36小时，然后减压条件下旋转蒸发除去溶剂，用乙醇洗涤过滤得到的粉体，在真空烘箱中在73C下烘干，得到亲水改性三氧化二铝纳米粉体。改性三氧化二铝纳米粉体的吸水率为100％。吸水率的测试方法同实施例1。

称取高密度聚乙烯750克(密度0.96、平均分子量400000)、叔丁基过氧化氢3克，亲水改性三氧化二铝纳米粉体247克，将上述组份混合均匀，然后将所得混合物在挤出机中于170C下进行挤出、牵引、造粒，即制得锂离子电池隔膜母料。

为了对该锂离子电池隔膜母料的性能进行评价，用该母料注塑制成测试样品，进行性能测试，样品的冲击强度按《ASTM D256塑料悬臂梁冲击试验方法》测试，样品的熔融温度按《ASTM D3418示差扫描量热法测量聚合物的转变温度》测试，电解液浸润性按《ASTMD7334利用浸润性测量表面浸润性》测试。

所得样品的冲击强度为385J/m(冲不断)，比高密度聚乙烯原料提高了175％；其熔融温度为150C，比高密度聚乙烯原料提高了16C；其电解液浸润性比高密度聚乙烯原料提高了130％。

实施例4

亲水改性三氧化二铝由如下步骤制备：

(1)将等质量的粒径为50nm～200nm的三氧化二铝纳米粉体和丁二酸酐加入溶剂二氯甲烷(三氧化二铝纳米粉体质量的4倍)中，室温搅拌12小时；过滤、除去溶剂，用蒸馏水洗涤过滤所得固体，在真空烘箱中在70C下烘干，得到羧基化的三氧化二铝；

(2)将等当量的[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵和乙二胺溶于甲醇中，在45C下搅拌24小时，然后减压旋转蒸发除去溶剂，所得产物用乙醚洗涤，在真空烘箱中在37C下烘干，得到氨基化甜菜碱；

(3)将等质量的羧基化三氧化二铝粉体和氨基化甜菜碱溶于二氯甲烷溶剂中，加入羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的4-二甲氨基吡啶和羧基化三氧化二铝粉体的十分之一质量份的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为催化剂，在25C下搅拌40小时，然后减压条件下旋转蒸发除去溶剂，用乙醇洗涤过滤得到的粉体，在真空烘箱中在80C下烘干，得到亲水改性三氧化二铝纳米粉体。改性三氧化二铝纳米粉体的吸水率为100％。吸水率的测试方法同实施例1。

称取高密度聚乙烯800克(密度0.95、平均分子量450000)、叔丁基过氧化氢2克，亲水改性三氧化二铝纳米粉体198克，将上述组份混合均匀，然后将所得混合物在挤出机中于175C下进行挤出、牵引、造粒，即制得锂离子电池隔膜母料。

为了对该锂离子电池隔膜母料的性能进行评价，用该母料注塑制成测试样品，进行性能测试，样品的冲击强度按《ASTM D256塑料悬臂梁冲击试验方法》测试，样品的熔融温度按《ASTM D3418示差扫描量热法测量聚合物的转变温度》测试，电解液浸润性按《ASTMD7334利用浸润性测量表面浸润性》测试。

所得样品的冲击强度为407J/m(冲不断)，比高密度聚乙烯原料提高了185％；其熔融温度为146C，比高密度聚乙烯原料提高了12C；其电解液浸润性比高密度聚乙烯原料提高了105％。

Claims (8)

1.一种锂离子电池隔膜母料，其特征在于：按重量份数计，该锂离子电池隔膜母料由60～90份的高密度聚乙烯、0.1～0.5份的交联剂、9.9～39.5份的亲水改性三氧化二铝纳米粉体组成；

所述的高密度聚乙烯的密度为0.95～0.96，平均分子量为200000-500000；

所述交联剂为叔丁基过氧化氢；

所述的亲水改性三氧化二铝由如下步骤制备：

(1)将等质量的粒径为50nm～200nm的三氧化二铝纳米粉体和丁二酸酐加入溶剂二氯甲烷中，室温搅拌；过滤、除去溶剂，用蒸馏水洗涤过滤所得固体，在真空烘箱中在60C～80C下烘干，得到羧基化的三氧化二铝；

(2)将等当量的[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵和乙二胺溶于甲醇中，在40C～60C下搅拌，然后减压旋转蒸发除去溶剂，所得产物用乙醚洗涤，在真空烘箱中在30C～40C下烘干，得到氨基化甜菜碱；

(3)将等质量的羧基化三氧化二铝粉体和氨基化甜菜碱溶于二氯甲烷溶剂中，加入4-二甲氨基吡啶和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为催化剂，在25C-30C下搅拌，然后减压条件下旋转蒸发除去溶剂，用乙醇洗涤过滤得到的粉体，在真空烘箱中在65C～80C下烘干，得到亲水改性三氧化二铝纳米粉体；所述4-二甲氨基吡啶和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐用量分别为羧基化三氧化二铝粉体质量的1/5-1/15。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜母料，其特征在于，所述4-二甲氨基吡啶用量为羧基化三氧化二铝粉体质量的1/10。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜母料，其特征在于，所述1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐用量为羧基化三氧化二铝粉体质量的1/10。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜母料，其特征在于，所述步骤(1)室温搅拌的时间为12～24小时。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜母料，其特征在于，所述步骤(2)40C～60C下搅拌时间为20～24小时。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜母料，其特征在于，所述步骤(3)25C-30C下搅拌时间为24～48小时。

7.根据权利要求1所述的锂离子电池隔膜母料，其特征在于，所述二氯甲烷的用量为三氧化二铝纳米粉体质量的3-4倍。

8.权利要求1所述的锂电池隔膜母料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)亲水改性三氧化二铝纳米粉体的制备；

(2)将重量份数60～90份的高密度聚乙烯、0.1～0.5份的交联剂、9.9～39.5份的亲水改性三氧化二铝纳米粉体混合均匀；

(3)在160C～180C下进行挤出、牵引、造粒，制得锂离子电池隔膜母料。