CN103618055A - 一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法 - Google Patents

一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，该方法将平均分子量在20万以上的聚丙烯、分子量为600万以上的超高分子量聚丙烯和成核剂混合之后，利用双螺杆造粒机造粒，制作母粒；将母粒与添加剂按一定比例混合后，经挤出机熔融塑化；经过熔融塑化后的混合物由模头流延到流延机的铸片辊上冷却铸成膜；将基膜经过时效处理之后，拉伸成隔膜，最后对隔膜进行冷却、收卷得到产品。利用本发明制得的隔膜具有较低的热收缩率，较强的力学性能，均匀的孔径分布，用于锂电池中具有较强的机械性能、离子导通性及热稳定性。

Description

一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法
技术领域
本发明属于锂电池领域，尤其涉及一种聚烯烃锂离子电池隔膜的制备方法。
背景技术
锂电池主要由正极、负极、电解质、隔膜及外壳等构成。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。锂电池隔膜常采用聚丙烯（PP）多孔膜，聚乙烯（PE）多孔膜或聚丙烯（PP）/聚乙烯（PE）/聚丙烯（PP）三层复合膜。隔膜在锂电池中的作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，起到建立电压的作用，同时具有能使电解质离子从隔膜顺利穿过的功能。目前常用的锂电池隔膜厚度在5-40μm，微孔的平均孔径在50-200nm，孔隙率范围一般是30-70%，锂电池隔膜的热稳定性、渗透性、厚度、平均孔径和孔隙率等都对电池性能有着重要的影响。隔膜的孔隙状况决定了锂电池的质量和使用寿命，如何制造出孔径大小均匀，孔的分布均匀的隔膜是隔膜制造的难点。
目前，锂离子隔膜生产主要采用的方法有：①熔纺拉伸法（干法）：其中双向拉伸，是将塑料薄膜加热到一定温度，利用聚丙烯不同相态间密度的差异，在拉伸过程中发生晶型转变形成微孔，采用物理方法进行双向拉伸，使分子链产生较大空隙。此方法微孔的密度和孔径较难控制，微孔均匀度及隔膜厚度均匀性较差；②热致相分离法（湿法）：在高温下将聚合物溶于高沸点、低挥发性的溶剂中形成均相液，然后降温冷却，导致溶液产生液-固相分离或液-液相分离，再选用挥发性试剂将高沸点溶剂萃取出来，经过干燥获得一定形状结构的高分子微孔膜，此法工艺复杂能耗大，只能生产较薄的隔膜；由于生产过程中需要用有机溶剂进行萃取，带来一定的环保问题和生产安全性问题。由于锂电池领域的快速发展，要适应高端领域锂电池的发展，电池隔膜必须具有较好的力学强度；另外，动力电池由于大功率充放电的需要，其透气性能要求较好，对孔隙率的要求也比较高。而目前的多层隔膜由于工艺非常复杂，在孔隙率控制方面存在很大不足，不能满足锂电池高端领域的需求。
发明内容
本发明的目的在于为了克服目前锂电池隔膜工艺中的缺陷，提供一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，工艺流程相对简单、环境友好、容易控制，根据该工艺制备的隔膜性能稳定、一致性相对较好，具有较低的热收缩率，较强的力学性能和均匀的孔径分布。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）   制作母粒：将平均分子量在20万以上的聚丙烯、分子量为600万以上的超高分子量聚丙烯和成核剂混合之后，利用双螺杆造粒机造粒，制作母粒；
（2）   熔融塑化：根据产品的性能要求，在制作好的母粒中添加抗热氧老化剂或开口剂或润滑剂或耐撕裂剂或抗静电剂，混合均匀后经挤出机熔融塑化；
（3）   挤出、铸片：经过熔融塑化后的混合物由模头流延到流延机的铸片辊上冷却铸成膜；
（4）   时效处理：将所述的基膜进行热处理；
（5）   拉伸：经过时效处理后的基膜通过拉伸设备对基膜进行单向拉伸，将基膜拉伸成隔膜；
（6）   最后对隔膜进行冷却、收卷得到产品。
进一步，所述所述步骤（1）中超高分子量聚丙烯的添加量为5%-40%；所述成核剂优选β成核剂，添加量为0.3%-10%；所述平均分子量在20万以上的聚丙烯原料为熔融指数为0.8-3g/10min的聚丙烯；所述母粒加工的温度为210℃-270℃。
进一步，所述步骤（2）中挤出的温度为150℃-300℃。
进一步，所述步骤（3）中流延机的铸片辊的温度为70℃-110℃。
进一步，所述步骤（4）中时效处理的温度为90℃-150℃，时间为0.5-8h。
进一步，所述步骤（5）中拉伸倍率为0.8-3.5，所述拉伸的速度为3-5m/min。
进一步，所述步骤（5）的拉伸过程包括预热阶段、拉伸阶段、定型阶段和冷却阶段。
进一步，所述预热阶段的温度为30℃-100℃；所述拉伸阶段的温度为110℃-150℃；所述定型阶段的温度为110℃-160℃。
更进一步，所述隔膜的厚度为16-40μm，孔隙率为30%-50%。
本发明具有以下优点：利用本发明制得的隔膜性能稳定，具有较低的热收缩率,90℃时隔膜热收缩率＜2%；具有较强的力学性能、均匀的孔径分布、隔膜平整度好，不会出现缩颈现象；用于锂电池中具有较强的机械性能，离子导通性及热稳定性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的拉伸过程示意图。
具体实施方式
图1为本发明的详细流程图，一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，包括以下步骤：
（1）   制作母粒：将平均分子量在20万以上的聚丙烯、分子量为600万以上的超高分子量聚丙烯和成核剂混合之后，利用双螺杆造粒机造粒，制作母粒；
（2）   熔融塑化：根据产品的性能要求，在制作好的母粒中添加抗热氧老化剂或开口剂或润滑剂或耐撕裂剂或抗静电剂，混合均匀后经挤出机熔融塑化；
（3）   挤出、铸片：经过熔融塑化后的混合物由模头流延到流延机的铸片辊上冷却铸成膜；
（4）   时效处理：将所述的基膜进行热处理；
（5）   拉伸：经过时效处理后的基膜通过拉伸设备对基膜进行单向拉伸，将基膜拉伸成隔膜；
（6）   最后对隔膜进行冷却、收卷得到产品。
所述平均分子量在20万以上的聚丙烯原料、成核剂和添加剂均为本领域技术人员熟知的聚丙烯原料、成核剂和添加剂，并无特殊限制。其投料的比例和稳定性直接关系到挤出过程的稳定性，并对挤出形成的膜片及最终隔膜的厚度产生影响，从而影响后续加工和产品的质量性能。因此，所述的超高分子聚丙烯添加量优选为5%-40%，；所述成核剂优选β成核剂，添加量优选为0.3%-10%；所述平均分子量在20万以上的聚丙烯原料优选为熔融指数为0.8-3g/min的聚丙烯；母粒由双螺杆造粒机造粒，加工时温度优选为210℃-270℃。
按照本发明，所述挤出的温度优选为150℃-300℃，所述挤出方法为本领域技术人员熟知的挤出方法即可，并无特殊限制。挤出的聚丙烯原料和添加剂的混合物由模头流延到流延机的铸片辊上冷却铸成膜片，所述流延辊的温度优选为70℃-110℃。
膜片在拉伸前，会经过时效处理，时效处理的温度优选为90℃-150℃，时间优选为0.5-8h。时效处理的目的是增加膜片的结晶度及晶片厚度，便于后续工序的进行。膜片经过时效处理后，进行复合，复合成所需要的膜的厚度之后，进入拉伸工序。
如图2所示，所述拉伸过程包括预热阶段a、拉伸阶段b、定型阶段c和冷却阶段d。薄膜在较低的拉伸倍率下拉伸时，薄膜首先形成银纹，逐渐增大拉伸倍率，薄膜上的细小银纹被拉伸成小孔，随着拉伸倍率的增大，薄膜表面的小孔被拉伸成大孔，故拉伸过程中总的拉伸倍率优选为0.8-3.5。低的拉伸应变速率下得到的薄膜微孔孔径小、孔径分布窄、外观均一；随着拉伸应变速率的增大，薄膜的孔径会随之增大、孔径分布会变宽，但过高的拉伸速率会导致薄膜表面被撕裂，甚至引起断膜。所以，拉伸过程中拉伸的速度优选为3-5m/min。拉伸过程中拉伸的温度越低，薄膜越容易形成大量的微孔，但温度过低会导致膜断片，从而不利于连续生产。因此，预热阶段的温度优选为30℃-100℃；拉伸阶段的温度优选为110℃-150℃；定型阶段的温度优选为110℃-160℃。拉伸过程中，薄膜的拉伸倍率、拉伸温度、拉伸速度以及热定型温度都会影响隔膜表面的微孔的形成、孔径大小及分布和隔膜热稳定性。
利用本发明所得到的隔膜的厚度优选为16-40μm，孔隙率优选为30%-50%。
下面将结合具体实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
按超高分子量聚丙烯添加量15%，β成核剂添加量5%，与平均分子量在20万以上的聚丙烯原料混合后制成母粒，母粒按10%的量添加，与所需要的添加剂按一定的比例混合后，加入到挤出机中，分段挤出温度范围为185℃-230℃，流延辊的温度为70℃。膜片的时效处理的温度为145℃，时间5h。拉伸过程中，预热辊的温度为80℃，拉伸温度为140℃，热定型温度为145℃，拉伸倍率为1.35，收卷分切，得到隔膜。
利用仪器对制得的隔膜进行测试，测试项目包括厚度、孔隙率、透气性、拉伸强度和热收缩率，同时检查隔膜的微观孔径是否均匀。测试结果见表1。
实施例2
按超高分子量聚丙烯添加量15%，β成核剂添加量5%，与平均分子量在20万以上的聚丙烯原料混合后制成母粒，母粒按10%的量添加，与所需要的添加剂按一定的比例混合后，加入到挤出机中，分段挤出温度范围为185℃-230℃，流延辊的温度为70℃。膜片的时效处理的温度为145℃，时间5h。拉伸过程中，预热辊的温度为90℃，拉伸温度为140℃，热定型温度为145℃，拉伸倍率为1.55，收卷分切，得到隔膜。
利用仪器对制得的隔膜进行测试，测试项目包括厚度、孔隙率、透气性、拉伸强度和热收缩率，同时检查隔膜的微观孔径是否均匀。测试结果见表1。
实施例3
按超高分子量聚丙烯添加量15%，β成核剂添加量5%，与平均分子量在20万以上的聚丙烯原料混合后制成母粒，母粒按10%的量添加，与所需要的添加剂按一定的比例混合后，加入到挤出机中，分段挤出温度范围为185℃-230℃，流延辊的温度为80℃。膜片的时效处理的温度为145℃，时间5h。拉伸过程中，预热辊的温度为85℃，拉伸温度为140℃，热定型温度为145℃，拉伸倍率为1.7，收卷分切，得到隔膜。
利用仪器对制得的隔膜进行测试，测试项目包括厚度、孔隙率、透气性、拉伸强度和热收缩率，同时检查隔膜的微观孔径是否均匀。测试结果见表1。
实施例4
按超高分子量聚丙烯添加量15%，β成核剂添加量5%，与平均分子量在20万以上的聚丙烯原料混合后制成母粒，母粒按10%的量添加，与所需要的添加剂按一定的比例混合后，加入到挤出机中，分段挤出温度范围为185℃-230℃，流延辊的温度为80℃。膜片的时效处理的温度为145℃，时间5h。拉伸过程中，预热辊的温度为85℃，拉伸温度为145℃，热定型温度为150℃，拉伸倍率为2.2，收卷分切，得到隔膜。
利用仪器对制得的隔膜进行测试，测试项目包括厚度、孔隙率、透气性、拉伸强度和热收缩率，同时检查隔膜的微观孔径是否均匀。测试结果见表1。
实施例5
按超高分子量聚丙烯添加量15%，β成核剂添加量5%，与平均分子量在20万以上的聚丙烯原料混合后制成母粒，母粒按10%的量添加，与所需要的添加剂按一定的比例混合后，加入到挤出机中，分段挤出温度范围为185℃-230℃，流延辊的温度为80℃。膜片的时效处理的温度为145℃，时间5h。拉伸过程中，预热辊的温度为85℃，拉伸温度为145℃，热定型温度为155℃，拉伸倍率为2.4，收卷分切，得到隔膜。
利用仪器对制得的隔膜进行测试，测试项目包括厚度、孔隙率、透气性、拉伸强度和热收缩率，同时检查隔膜的微观孔径分布是否均匀。测试结果见表1。
表1隔膜的性能参数
Figure 2013105601965100002DEST_PATH_IMAGE002
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适合于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
制作母粒：将平均分子量在20万以上的聚丙烯、分子量为600万以上的超高分子量聚丙烯和成核剂混合之后，利用双螺杆造粒机造粒，制作母粒；
熔融塑化：根据产品的性能要求，在制作好的母粒中添加抗热氧老化剂或开口剂或润滑剂或耐撕裂剂或抗静电剂，混合均匀后经挤出机熔融塑化；
挤出、铸片：经过熔融塑化后的混合物由模头流延到流延机的铸片辊上冷却铸成膜；
时效处理：将所述的基膜进行热处理；
拉伸：经过时效处理后的基膜通过拉伸设备对基膜进行单向拉伸，将基膜拉伸成隔膜；
最后对隔膜进行冷却、收卷得到产品。
2.根据权利要求1所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中超高分子量聚丙烯的添加量为5%-40%；所述成核剂优选β成核剂，添加量为0.3%-10%；所述平均分子量在20万以上的聚丙烯原料为熔融指数为0.8-3g/10min的聚丙烯；所述母粒加工的温度为210℃-270℃。
3.根据权利要求1所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中挤出的温度为150℃-300℃。
4.根据权利要求1所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中流延机的铸片辊的温度为70℃-110℃。
5.根据权利要求1所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中时效处理的温度为90℃-150℃，时间为0.5-8h。
6.根据权利要求1所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中拉伸倍率为0.8-3.5，所述拉伸的速度为3-5m/min。
7.根据权利要求1所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述步骤（5）的拉伸过程包括预热阶段、拉伸阶段、定型阶段和冷却阶段。
8.根据权利要求7所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述预热阶段的温度为30℃-100℃；所述拉伸阶段的温度为110℃-150℃；所述定型阶段的温度为110℃-160℃。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种聚烯烃锂离子电池隔膜制备方法，其特征在于：所述隔膜的厚度为16-40μm，孔隙率为30%-50%。
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