CN103633272A - 一种微孔隔膜的制备方法及微孔隔膜 - Google Patents

一种微孔隔膜的制备方法及微孔隔膜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂离子电池隔膜的加工领域，公开了一种微孔隔膜的制备方法，一种微孔隔膜的制备方法，包括以下步骤：1）、将主体聚烯烃树脂与辅助添加剂通过搅拌混料机搅拌均匀得到混合物Ⅰ；2）、将所得混合物Ⅰ加入到挤出机中熔融塑化均匀成熔体；3）、将所得熔体从模头挤出的铸片，制备出中间体膜；4）、将中间体膜进行双向微张力下退火处理；5）、将上述退火后的中间体膜进行纵向拉伸，制备具有微孔结构的隔膜。本发明还公开了上述方法制备的微孔隔膜，由重量百分比为75-99.9%的主体烯烃树脂和重量百分比为25-0.1%辅助添加剂组成。本发明具有能制备结构均匀、具有特殊微孔结构且安全性能高的锂离子电池隔膜的优点。

Description

一种微孔隔膜的制备方法及微孔隔膜
技术领域
本发明涉及锂离子电池隔膜的加工领域，尤其是涉及一种制备结构均匀、具有特殊微孔结构且安全性能高的新型微孔隔膜的方法及微孔隔膜。
背景技术
锂电池隔膜是锂离子电池核心部件之一，其成本大约占整个锂电池成本的20-30%。其性能的好坏对锂电池的整体性能有着非常重要的影响，是制约锂电池发展的关键技术之一。
随着锂电池应用领域的不断扩大和锂电产品在人们生活中的影响不断深化，人们对锂电池性能的要求也越来越高。为了满足锂电池的发展要求，隔膜作为锂电池的重要部件不仅应具有良好的化学稳定性、较低的制造成本，提高锂离子电池的安全性能也是目前锂电发展的重要趋势。
锂离子电池隔膜从制备工艺的角度分为两种：第一、干法隔膜制备工艺——熔融挤出拉伸法，该工艺又分为单向拉伸和双向拉伸两种，其中干法单向拉伸工艺可制备单层PP微孔膜，单层PE微孔膜，多层PP复合膜，PP/PE/PP三层复合膜，所制备的隔膜其微孔为狭缝型结构，因为在拉伸过程中，仅有高度的纵向拉伸，导致成品微孔膜在纵向强度较高，横向强度小，在电池装配、电池使用过程中容易受到机械力而撕裂，或者因为在负极材料侧生成的锂树枝晶刺穿隔膜形成短路或者微短路，容易产生安全问题。双向拉伸干法工艺目前主要制备的是单层PP微孔膜，该种微孔膜横向强度高，但是因为在其制备过程中涉及β晶型向α晶型的转变，微孔的结构不好控制。第二、湿法隔膜制备工艺——热致相分离法，该工艺通过将高聚物溶解于高沸点的小分子溶剂，后续经过双向拉伸、萃取，制备，力学性能较好微孔膜，但是其原料的主体树脂一般为超高分子量聚乙烯等聚烯烃材料，聚烯烃材料尤其是聚乙烯材料本身的耐热性较低，因此不利于电池的高温安全性，因此现在很多人在研究后续的耐高温涂覆工艺。除了上面这两种工艺外，近年来，静电纺丝工艺也有所发展，所制备微孔隔膜产品虽然耐高温，但是因为制备工艺复杂，产量受到一定的限制，无法大批量生产，同时因为破膜温度较高，是否适用于安全性能高、大倍率快速放电，还有待研究。
发明内容
为克服传统干法与湿法制备的隔膜耐热性差和力学强度低的缺点，本发明的目的在于提供一种能制备结构均匀、具有特殊微孔结构且安全性能高的微孔隔膜的方法及微孔隔膜。
本发明的目的是通过以下技术措施实现的，一种微孔隔膜的制备方法，包括以下步骤：
1）、将主体聚烯烃树脂与辅助添加剂通过搅拌混料机搅拌均匀，搅拌速度为500-6000rpm，搅拌时间为10-40min，得到混合物Ⅰ；
2）、将所得混合物Ⅰ加入到挤出机中，在温度为180-240℃的条件下熔融塑化均匀成熔体；
3）、将所得熔体从模头挤出的铸片，随后进入流延工序，模头温度为185-235℃，流延温度为50-110℃，制备出厚度在8微米-40微米的中间体膜；
4）、将中间体膜进行双向微张力下退火处理，退火温度为100-160℃，膜在退火设备中的速度为1-20m/min，纵向张力0.1-3.0N，横向张力0.1-2.5N进行拉伸，纵向的拉伸比为1.0-2.0，横向的拉伸比为1.0-2.0，退火时间5-60分钟；
5）、将上述退火后的中间体膜进行纵向拉伸，拉伸温度为100-150℃，拉伸速比为0.5-3.0，制备具有微孔结构的隔膜。
具体的，所述主体烯烃树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚4-甲基戊烯-1、聚丙烯晴中的任意一种或者多种，主体树脂所占比例按重量百分比为75-99.9%。
具体的，所述辅助添加剂为增塑剂、填充剂、阻燃剂、抗氧化剂、热稳定剂中的任意一种或多种，辅助添加剂所占重量百分比为25-0.1%。
更具体的，所述增塑剂为邻苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡中的一种或多种；所述填充剂为硅酸盐、滑石、碳酸盐中的一种或多种；所述阻燃剂为三氧化二锑、三水合氧化铝、硼酸锌、偏硼酸锌、四溴丁烷、六溴联苯、磷酸三（2,3-二氯丙基）酯中的一种或多种；所述抗氧化剂为酚类、胺类、含磷化合物、含硫化合物和有机金属盐中的一种或多种；所述热稳定剂为：盐基性铅盐、脂肪酸皂、有机锡、有机辅助稳定剂和复合稳定剂，具体为三盐基碳酸铅、二盐基亚磷酸铅，硬脂酸、月桂酸的镉、钡、钙、锌、镁盐、二巯基醋酸异辛酯中的一种或多种。
具体的，所述主体烯烃树脂的重量百分比为80-95%，辅助添加剂的重量百分比为20-5%。
本发明还公开了上述方法制备的微孔隔膜，由重量百分比为75-99.9%的主体烯烃树脂和重量百分比为25-0.1%辅助添加剂组成，所述主体烯烃树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯晴中的一种或多种，所述辅助添加剂为增塑剂、填充剂、阻燃剂、抗氧化剂、热稳定剂中的一种或多种。
具体的，所述增塑剂为邻苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡中的一种或多种；所述填充剂为硅酸盐、滑石、碳酸盐中的一种或多种；所述阻燃剂为三氧化二锑、三水合氧化铝、硼酸锌、偏硼酸锌、四溴丁烷、六溴联苯、磷酸三（2,3-二氯丙基）酯中的一种或多种；所述抗氧化剂为酚类、胺类、含磷化合物、含硫化合物和有机金属盐中的一种或多种；所述热稳定剂为：盐基性铅盐、脂肪酸皂、有机锡、有机辅助稳定剂和复合稳定剂，具体为三盐基碳酸铅、二盐基亚磷酸铅，硬脂酸、月桂酸的镉、钡、钙、锌、镁盐、二巯基醋酸异辛酯中的一种或多种。
具体的，所述隔膜TD方向的拉伸强度为45-85Mpa。
有现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
1、基于目前不同工艺所制备的锂离子电池隔膜所存在的问题，采用本发明制备的新型微孔隔膜的微孔较干法双向拉伸工艺制备的微孔膜结构更加均匀，较干法单项拉伸制备的微孔锂离子电池隔膜的纵向强度有显著提高，又不会出现目前湿法工艺（热致相分离工艺）所可能产生的环境污染；
2、采用本发明制备的新型微孔锂离子电池隔膜，因为在横向能够抵挡一定的外力，所以其在电池装配过程中，更适合大规模的生产；
3、采用本发明制备的新型微孔锂离子电池隔膜，对于电池的安全性能提高效果明显，减少了因为负极侧锂枝晶的出现而造成隔膜刺破，产生的微短路现象，电池的耐挤压，耐冲击性能也会提高；
4、采用本发明制备的新型微孔锂离子电池隔膜，因为微孔的形状处于狭缝状—圆形之间，通透性更好，所以隔膜在电池中的倍率放电性能，电解液保持率也更好，有利于提供电池的综合性能。
说明书附图
图1为本发明实施例1制备的微孔隔膜的电镜图片。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
一种新型微孔隔膜，其主体原料为聚丙烯树脂，辅助材料为增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和阻燃剂偏硼酸锌、四溴丁烷，微孔膜的厚度为20μm，孔隙率为37%。主体树脂聚丙烯的含量按照质量百分比计算为94%，增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和阻燃剂偏硼酸锌、四溴丁烷的含量按照质量百分比计算分别为2.5%和1.5%、2.0%。
制备所述新型微孔隔膜的方法，包括如下步骤：
1、将主体聚烯烃树脂与辅助添加剂通过高速搅拌混料机在一定的条件下搅拌均匀，搅拌速度为2000rpm，搅拌时间为20min，得到混合物Ⅰ；
2、将上述混合物Ⅰ加入到挤出机中，在一定条件下熔融塑化均匀，挤出机温度为200℃；
3、将上述熔体从模头挤出的铸片，随后进入流延工序，模头温度为200℃，流延温度为95℃，制备出具有一定结构，厚度在23μm的中间体膜；
4、将上述中间体膜在一定的设备中进行双向微张力下退火处理，退火温度为110℃，膜在退火设备中的速度为10m/min，纵向张力0.2N，横向张力0.6N进行拉伸，纵向的拉伸比为1.1，横向的拉伸比为1.2，退火时间30分钟；
5、将上述退火后的中间体膜进行纵向拉伸，拉伸温度为135℃，拉伸速比为2.4，制备出具有特殊微孔结构的隔膜。
实施例2
一种新型微孔隔膜，其主体原料为聚丙烯树脂，辅助材料为增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和热稳定剂月桂酸锌，微孔膜的厚度为20μm，孔隙率为42%。主体树脂聚丙烯的含量按照质量百分比计算为94%，增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和热稳定剂月桂酸锌的含量按照质量百分比计算分别为2.5%和3.5%。
本实施例的制备方法基本与实施例1相同，有变化的部分主要是第4步退火处理中，退火温度改为130℃，退火时间改为40分钟；
实施例3
一种新型微孔隔膜，其主体原料为聚丙烯树脂，辅助材料为填充剂三氧化二锑(锑白)和热稳定剂月桂酸锌，微孔膜的厚度为20μm，孔隙率为47%。主体树脂聚丙烯的含量按照质量百分比计算为94%，填充剂三氧化二锑(锑白)和热稳定剂月桂酸锌的含量按照质量百分比计算分别为2.5%和3.5%。
本实施例的制备方法基本与实施例1相同，有变化的部分主要是第4步退火处理中，横向的拉伸比改为1.5，退火时间改为60分钟；
对比例1
一种常规的干法单向拉伸微孔隔膜的制备方法，其主体原料为聚丙烯树脂，辅助材料为增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和阻燃剂偏硼酸锌、四溴丁烷，微孔膜的厚度为20μm，孔隙率为37%。主体树脂聚丙烯的含量按照质量百分比计算为94%，增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和阻燃剂偏硼酸锌、四溴丁烷的含量按照质量百分比计算分别为2.5%、2.0%、1.5%。
制备该微孔隔膜的步骤方法基本与实施例1相同，其中有变化的部分是第4步退货处理部分变成烘箱热处理，将实施例1中第3步制备的中间体直接收卷放进烘箱中，烘箱温度设定为110℃，退火时间为30分钟
对比例2
一种常规的干法单向拉伸微孔隔膜的制备方法，其主体原料为聚丙烯树脂，辅助材料为增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和热稳定剂月桂酸锌，微孔膜的厚度为20μm，孔隙率为42%。主体树脂聚丙烯的含量按照质量百分比计算为94%，增塑剂双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯和热稳定剂月桂酸锌的含量按照质量百分比计算分别为2.5%和3.5%。
本对比例相对于对比例1中，将烘箱温度设定为130℃，退火时间为40分钟。
对采用实施例1-3和对比例1-2的方法制备的锂离子电池微孔膜进行隔膜厚度和孔隙率测试。厚度的测试按照GB/T6673—2001的规定进行。孔隙率的测试方法如下：使用裁样板裁取3张A4隔膜样品，测量其长度（L）和宽度（B），计算其实际的面积；使用数显测厚仪测量每张样品的厚度并记录，A4样品每个边取5个点，计算时取平均厚度（d）；取3张样品分别放置于电子天平上称重，记录样品的质量（m），孔隙率的计算公式为：ｎ=（ρ*V*10-3-m）*100/（ρ*V*10-3），其中ρ为主体材质的密度；V为样品的体积，ｎ即为隔膜的孔隙率。
对采用实施例1-3和对比例1-2的方法制备的锂离子电池微孔膜进行隔膜拉伸强度的测试，具体测试参照GB/T1040[1].3—2006的规定进行
使用采用对采用实施例1-3和对比例1—2的方法制备的锂离子电池隔膜透气度的测试，参考ASTM D726无透气性的测试方法。
上述所有测试结果列于表1中。
表1
项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
拉伸强度（MD,MPa） 150 150 149 145 146
拉伸强度（TD，MPa） 50 70 80 14 12
孔隙率（%） 37 42 44 37 42
透气度（sec/100ml） 450 320 310 480 350
其中，MD指纵向，TD指横向。
由表1可知，采用本发明方法制备的新型微孔隔膜的横向拉伸强度（TD方向）有了明显的提高，在电池制备过程中，有利于规模化的装配，同时横向强度大，对于减少锂枝晶的刺穿隔膜，产生为短路，影响电池安全性和使用寿命也有总要作用。通过实施例2和对比例2的比较可知，同等孔隙率条件下，采用本发明工艺制备的微孔隔膜的微孔通透性更好，这对于提高电池的充放电性能十分有利。
上是对本发明微孔隔膜的制备方法进行了阐述，用于帮助理解本发明，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微孔隔膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）、将主体聚烯烃树脂与辅助添加剂通过搅拌混料机搅拌均匀，搅拌速度为500-6000rpm，搅拌时间为10-40min，得到混合物Ⅰ；
2）、将所得混合物Ⅰ加入到挤出机中，在温度为180-240℃的条件下熔融塑化均匀成熔体；
3）、将所得熔体从模头挤出的铸片，随后进入流延工序，模头温度为185-235℃，流延温度为50-110℃，制备出厚度在8微米-40微米的中间体膜；
4）、将中间体膜进行双向微张力下退火处理，退火温度为100-160℃，膜在退火设备中的速度为1-20m/min，纵向张力0.1-3.0N，横向张力0.1-2.5N进行拉伸，纵向的拉伸比为1.0-2.0，横向的拉伸比为1.0-2.0，退火时间5-60分钟；
5）、将上述退火后的中间体膜进行纵向拉伸，拉伸温度为100-150℃，拉伸速比为0.5-3.0，制备具有微孔结构的隔膜。
2.根据权利要求1所述的微孔隔膜的制备方法，其特征在于：所述主体烯烃树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚4-甲基戊烯-1、聚丙烯晴中的任意一种或者多种，主体树脂所占比例按重量百分比为75-99.9%。
3.根据权利要求1所述的微孔隔膜的制备方法，其特征在于：所述辅助添加剂为增塑剂、填充剂、阻燃剂、抗氧化剂、热稳定剂中的任意一种或多种，辅助添加剂所占重量百分比为25-0.1%。
4.根据权利要求3所述的微孔隔膜的制备方法，其特征在于：所述增塑剂为邻苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡中的一种或多种；所述填充剂为硅酸盐、滑石、碳酸盐中的一种或多种；所述阻燃剂为三氧化二锑、三水合氧化铝、硼酸锌、偏硼酸锌、四溴丁烷、六溴联苯、磷酸三（2,3-二氯丙基）酯中的一种或多种；所述抗氧化剂为酚类、胺类、含磷化合物、含硫化合物和有机金属盐中的一种或多种；所述热稳定剂为：盐基性铅盐、脂肪酸皂、有机锡、有机辅助稳定剂和复合稳定剂，具体为三盐基碳酸铅、二盐基亚磷酸铅，硬脂酸、月桂酸的镉、钡、钙、锌、镁盐、二巯基醋酸异辛酯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的微孔隔膜的制备方法，其特征在于：所述主体烯烃树脂的重量百分比为80-95%，辅助添加剂的重量百分比为20-5%。
6.根据权利要求1-5中任一方法制备的微孔隔膜，其特征在于：由重量百分比为75-99.9%的主体烯烃树脂和重量百分比为25-0.1%辅助添加剂组成，所述主体烯烃树脂为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯晴中的一种或多种，所述辅助添加剂为增塑剂、填充剂、阻燃剂、抗氧化剂、热稳定剂中的一种或多种。
7.根据权利要求6所述的微孔隔膜，其特征在于：所述增塑剂为邻苯二甲酸酯类、脂肪族二元酸酯类、磷酸酯类、氯化石蜡中的一种或多种；所述填充剂为硅酸盐、滑石、碳酸盐中的一种或多种；所述阻燃剂为三氧化二锑、三水合氧化铝、硼酸锌、偏硼酸锌、四溴丁烷、六溴联苯、磷酸三（2,3-二氯丙基）酯中的一种或多种；所述抗氧化剂为酚类、胺类、含磷化合物、含硫化合物和有机金属盐中的一种或多种；所述热稳定剂为：盐基性铅盐、脂肪酸皂、有机锡、有机辅助稳定剂和复合稳定剂，具体为三盐基碳酸铅、二盐基亚磷酸铅，硬脂酸、月桂酸的镉、钡、钙、锌、镁盐、二巯基醋酸异辛酯中的一种或多种。
8.根据权利要求6所述的微孔隔膜，其特征在于：所述隔膜TD方向的拉伸强度为45-85Mpa。
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