CN105070871B - 交联聚苯乙烯微球填充的复合多曲孔膜材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CPS‑NP填充的复合多曲孔膜材料,它以聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材,基材孔隙中填充有交联聚苯乙烯纳米微球(CPS‑NP);所述的CPS‑NP,其直径在50‑200nm之间,熔融温度高于300℃,占纳米复合多曲孔膜材料总重量的20‑60%;所述的PI纳米纤维非织造布是厚度在9‑38μm之间、孔隙率在60‑80%之间、纤维直径在0.5μm以下的电纺PI纳米纤维非织造布。本发明提供的纳米复合多曲孔膜材料耐高温、抗热收缩、耐高电压和高电流冲击,抗机械撞击,适合于用作安全电池隔膜和安全超级电容器隔膜,制造各种高容量和高动力锂电池或超级电容器。本发明还提供所述的纳米复合多曲孔膜材料的制备方法,及其作为电池隔膜的应用。
Description
技术领域
本发明属于电池隔膜领域,涉及一种多孔膜材料,具体涉及一种含有CPS-NP的复合多曲孔膜材料,及其制备方法和作为电池隔膜的应用。
背景技术
锂离子电池作为新能源汽车的动力电池得到了迅速发展,将成为人类不可缺少的生活用品。但由于目前使用的锂电池隔膜属于耐温性能较差的聚烯烃类多孔膜材料,在较高温度下,或在电池过充过放及机械损伤的情况下,锂离子电池容易出现冒烟、着火、甚至爆炸等危及使用者安全的隐患。因此,提高锂离子电池的安全性是推广锂离子电池在汽车动力等领域应用的关键。
针对锂电池的使用安全性,人们利用PI材料的高耐热性,开发了一种高孔隙率的电纺PI纳米纤维电池隔膜。这种高孔隙率PI纳米纤维隔膜在300℃高温下不收缩,并具有耐过充过放、高倍率性能和高循环性能等特点,使锂离子电池的电化学性能得到了大幅度提高。然而,由于这种电纺纳米纤维隔膜是一种由纤维堆积的非织造布,具有过高的孔隙率和过大的表面孔径,导致电池的荷电保持率较低,常出现微短路现象,尤其是当电池隔膜厚度较低时,如低于30微米,这种情况出现的几率相当高。因此,非常有必要创造一种新的具有较低孔隙率和较小表面孔径的耐高温高安全锂离子电池隔膜。
发明内容
本发明的目的之一在于:提供一种具有较低孔隙率和较小表面孔径的耐温高安全的多曲孔膜材料。
本发明的目的之二在于:提供制备所述的多曲孔膜材料的方法。
本发明的目的之三在于:提供所述的多曲孔膜材料在电池隔膜中的应用。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的:
首先,提供一种纳米复合多曲孔膜材料,它以聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材,基材孔隙中填充有交联聚苯乙烯纳米微球(CPS-NP);所述的CPS-NP,其直径在50-200nm之间,熔融温度高于300℃,占纳米复合多曲孔膜材料总重量的20-60%;所述的PI纳米纤维非织造布是厚度在9-38μm之间、孔隙率在60-80%之间、纤维直径在0.5μm以下的电纺PI纳米纤维非织造布。
本发明优选的方案中,所述的纳米复合多曲孔膜材料,其孔隙率在30-50%之间,表面平均孔径在50-300nm之间,厚度在10-40μm之间。
本发明优选的纳米复合多曲孔膜材料,优选通过用含有10-20%wt所述CPS-NP的水基悬浮液涂布或浸渍PI纳米纤维非织造布,使悬浮液渗透填满PI纳米纤维非织造布的孔隙,再经100-200℃高温烘干制得。
所述的水基悬浮液,按重量百分比计,由45-75%的含25-40%所述CPS-NP的乳液、1-5%的粘合剂、0.1-1%的分散剂和余量的水混合制备而成。
所述的粘合剂优选聚丙烯酸酯类粘合剂,更优选丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物。
所述的分散剂优选聚丙烯酸铵。
所述的水基悬浮液的绝对粘度优选为15~25mPa·S,优选为17~22mPa·S。
在此基础上,本发明还提供一种制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法,是以低粘度的含所述CPS-NP的水基悬浮液和电纺PI纳米纤维非织造布为原材料,通过表面涂敷渗透或浸渍涂敷渗透的方法,将所述的CPS-NP填进电纺PI纳米纤维非织造布的孔隙中,在较低温度烘干后,升温至较高温度使粘合剂在CPS-NP间及颗粒与PI纳米纤维间进行粘合。
本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法,具体包括以下步骤:
1)配制水基悬浮液:
按重量百分比计,将45-75%的含25-40%所述交联聚苯乙烯纳米微球的乳液、0.1%-1.0%的分散剂、1.0-5.0%的粘合剂和余量的水混合后在4000-6000转/min的转速下乳化,形成绝对粘度在15-25mPa·S的、所述CPS-NP的含量在10-20%wt的水基悬浮液;
2)填充纳米颗粒:
将步骤1)配制的水基悬浮液在水平板上铺平形成一定厚度的悬浮液膜,然后将所述的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在所述的悬浮液膜上,悬浮液渗进电纺PI纳米纤维非织造布中,待纳米纤维布上层湿透,揭起电纺PI纳米纤维非织造布;
3)干燥粘结成型
将步骤2)得到的电纺PI纳米纤维非织造布先在80~100℃下热烘8~12min,再升温至180~200℃热处理3~6min,使CPS-NP间以及它们与PI纳米纤维间因粘合剂的熔融而充分粘结形成所述的纳米复合多曲孔膜材料。
本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法中,步骤1)所述的配制水基悬浮液,优选将45-72%的含25-30%所述交联聚苯乙烯纳米微球的乳液、0.1%-0.3%的分散剂、1.0-3.0%的粘合剂和余量的水混合后在5000转/min的转速下乳化,形成绝对粘度在17-22mPa·S的、所述CPS-NP的含量在13-18%wt的水基悬浮液。
本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法中,步骤1)所述的粘合剂优选聚丙烯酸酯,更优选丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物;所述的分散剂优选聚丙烯酸铵。
本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法中,步骤3)优选将步骤2)得到的PI纳米纤维非织造布先在100℃下热烘10min,再升温至200℃热处理5min。
本发明利用交联聚苯乙烯纳米微球具有在300℃以下不软化,不收缩、不分解等耐温性能及直径小于PI纳米纤维非织造布的表面孔径等特性,将其填充进PI纳米纤维非织造布的孔隙中,降低PI纳米纤维非织造布的孔隙率及缩小其表面孔径、提高隔膜的电击穿强度、改善电池的荷电保持率和杜绝电池的微短路现象;同时,这种材质密度较低的纳米微球填充并不明显增加PI纳米纤维非织造布的面密度。
本发明的制备方法以低粘度交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液和电纺PI纳米纤维非织造布为原材料,通过表面涂敷渗透或浸渍涂敷渗透的方法,将交联聚苯乙烯纳米微球填进PI纳米纤维非织造布的孔隙中,在较低温度烘干后,升温至较高温度使聚丙烯酸酯粘合剂在交联聚苯乙烯纳米微球间及纳米微球与PI纳米纤维间进行粘合形成更小孔隙的二元有机纳米复合的多孔膜结构。其关键在于这种PI纳米纤维非织造布中的纳米纤维网络结构起支撑作用,交联聚苯乙烯纳米微球起填充和构筑纳米孔隙的作用,从而赋予这种二元有机纳米复合多孔膜材料具有良好的孔隙结构、小表面孔径、低面密度、较高击穿强度、耐热和良好机械性能等特性,克服了电纺PI纳米纤维非织造布过高的孔隙率、过大的表面孔径和电击穿强度低等作为安全电池隔膜的致命弱点。因此,本发明的多曲孔膜是一种非常适合于用作耐高温高安全电池隔膜的膜材料。
在选择填充的纳米颗粒时,本发明人研究了CPS-NP的用量比例对于材料性能的影响,发现如果CPS-NP在水基悬浮液中的用量低于10%,则难以有效填充PI纤维非织造布的孔隙,导致电池的荷电保持率较低,容易出现微短路现象;而如果CPS-NP用量高于20%,则使得颗粒分散变得困难,阻碍了填充效果,难以实现表面孔径小、孔道曲折的孔隙结构,最终经过大量的实验获得了CPS-NP的最佳用量范围,使复合多曲孔膜材料的整体性能在所述最佳配比范围下达到最优。在选择粘合剂与分散剂时,本发明人需要根据CPS-NP的特性和填充工艺的需要在多种粘合剂和分散剂中进行多因素的全面筛选,最终发现:聚丙烯酸酯类粘合剂,尤其是丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物,能够为水基悬浮液提供恰到好处的黏度,为进一步的涂敷渗透和颗粒粘结提供了理想的基础;聚丙烯酸铵的加入较其他分散剂更容易在纳米颗粒表面上形成双电层,能够对超细固体颗粒的分散起到明显作用,可以降低浆料粘度、防止颗粒团聚,使有机和无机纳米颗粒在水基悬浮液中的分散达到了较为理想的状态。此外,本发明提供的浸涂方法相较现有技术中的刮涂工艺更适合工业化生产。
最终,本发明的CPS-NP/PI二元有机纳米复合多曲孔膜材料获得了如下特性:厚度在10-40μm之间、孔隙率在30-50%之间、表面孔径在50-300nm之间、拉伸强度在30~45MPa之间、热收缩温度大于300℃、电击穿强度在30-50V/μm之间、离子电导率在1.0-8.0×10-3S·cm-1之间。具有这种特性的纳米复合膜耐高温、抗热收缩、耐高电压和高电流冲击,抗机械撞击,适合于用作安全电池隔膜和安全超级电容器隔膜,制造各种高容量和高动力锂电池或超级电容器。
本发明还提供所述的纳米复合多曲孔膜材料作为非水电解质二次电池的电池隔膜或电容器隔膜的应用。
具体实施方式
以下实施例将有助于本领域的普通技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。
实施例1:
一种CPS-NP填充的复合多曲孔膜材料,它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材,基材孔隙中填充有CPS-NP;
其制备方法如下:
1)交联聚苯乙烯微球的制备:
(1)预乳液制备
准确称取5.00g阴离子型表面活性剂(型号NPES-458)、1.10g过硫酸銨(APS)、100.00g水、70.00g苯乙烯(St)、10.00g衣康酸单丁酯(MBA)和16.00g二乙烯基苯(DVB)混合于一500ml烧杯中,在室温下用乳化机在10000rpm的高速搅拌下乳化5min,获得预乳液约202.10g。
(2)交联聚苯乙烯纳米微球乳液的制备
称取40.00g上述预乳液、1.50g十二烷基硫醇和56.00g水加入装有搅拌器和回流冷凝管的四颈瓶中作为种子乳液,开动搅拌器并通入氮气,逐渐升温至70℃。当四口瓶中的种子乳液泛蓝光后,开始慢慢将上面剩余的162.10g预乳液滴加到反应体系中,温度始终维持在70℃,大约一个小时滴加完毕,并在此温度下继续保持搅拌反应2h,然后升温到95℃保持10min,使反应完全。降至室温,获得质量浓度为40%的、主要粒径分布在150nm的交联聚苯乙烯纳米微球乳液备用。
2)交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-1)的配置:步骤1)得到的交联聚苯乙烯纳米微球乳液200.0克,聚丙烯酸銨0.8克,丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯聚合物乳液(粘合剂,质量浓度50%)16.0克,蒸馏水91.8克,一次性放入烧杯中,在每分钟5000转的转速下混合乳化,形成绝对粘度为22mPa·S的交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-1)。
3)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的制备:将步骤2)所配置的CPS-NP/H2O-1交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为60μm的悬浮液膜,然后将厚度为39μm、孔隙率为80%的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在CPS-NP/H2O-1悬浮液膜上,悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中,待纳米纤维布上层湿透,表明非织造布的孔隙中已完全充满了悬浮液,揭起PI纳米纤维非织造布,在100℃下热烘10min,升温至200℃热处理5min,使CPS-NP纳米颗粒间及纳米颗粒与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯熔融而充分粘结形成二元有机纳米复合多孔膜。
4)性能表征:所制备的CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的厚度为40μm、拉伸强度为30MPa、断裂伸长率为30%、穿刺强度为4.0N、在300℃下的热收缩率为0、多孔膜的孔隙率为40%、表面平均孔径为100nm、面密度为10.0g/m2,在0.24bar压力下的透气性为60S、电击穿强度为30V/μm,离子电导率为8.0×10-3S·cm-1。
实施例2:
一种CPS-NP填充的复合多曲孔膜材料,它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材,基材孔隙中填充有CPS-NP;
其制备方法如下:
1)交联聚苯乙烯微球(CPSMP)的制备:
(1)预乳液制备
准确称取6.0g阴离子型表面活性剂(型号NPES-458)、1.1g过硫酸銨(APS)、180.0g水、70.0g苯乙烯(St)、12.0g衣康酸单丁酯(MBA)和16.0g二乙烯基苯(DVB)混合于一500ml烧杯中,在室温下用乳化机在10000rpm的高速搅拌下乳化5min,获得预乳液约285.1g。
(2)交联聚苯乙烯纳米微球乳液的制备
称取60.00g上述预乳液、1.50g十二烷基硫醇和69.00g水加入装有搅拌器和回流冷凝管的四颈瓶中作为种子乳液,开动搅拌器并通入氮气,逐渐升温至70℃。当四口瓶中的种子乳液泛蓝光后,开始慢慢将上面剩余的225.10g预乳液滴加到反应体系中,温度始终维持在70℃,大约2小时滴加完毕,并在此温度下继续保持搅拌反应2h,然后升温到95℃保持10min,使反应完全。降至室温,获得质量浓度为30%的、主要粒径分布在80nm的交联聚苯乙烯纳米微球乳液备用。
2)交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-2)的配置:上述交联聚苯乙烯纳米微球乳液200.0克,聚丙烯酸銨0.6克,丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物乳液(粘合剂,质量浓度50%)12.0克,蒸馏水120.4克,一次性放入烧杯中,在每分钟5000转的转速下混合乳化,形成绝对粘度为20mPa·S的交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-2)。
3)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的制备:将上面所配置的CPS-NP/H2O-2交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为30μm的悬浮液膜,然后将厚度为9μm、孔隙率为60%的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在CPS-NP/H2O-2悬浮液膜上,悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中,待纳米纤维布上层湿透,表明非织造布的孔隙中已完全充满了悬浮液,揭起PI纳米纤维非织造布,在100℃下热烘10min,升温至200℃热处理5min,使CPS-NP纳米微球颗粒间及纳米颗粒与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯熔融而充分粘结形成二元有机纳米复合多孔膜。
4)性能表征:所制备的CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的厚度为10μm、拉伸强度为45MPa、断裂伸长率为35%、穿刺强度为5.0N、在300℃下的热收缩率为0、多孔膜的孔隙率为38%、表面平均孔径为60nm、面密度为11.5g/m2,在0.24bar压力下的透气性为150S、电击穿强度为40V/μm,离子电导率为4.0×10-3S·cm-1。
实施例3:
一种CPS-NP填充的复合多曲孔膜材料,它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材,基材孔隙中填充有CPS-NP;
其制备方法如下:
1)交联聚苯乙烯微球(CPSMP)的制备:
(1)预乳液制备
准确称取8.0g阴离子型表面活性剂(型号NPES-458)、1.1g过硫酸銨(APS)、180.0g水、70.0g苯乙烯(St)、14.0g衣康酸单丁酯(MBA)和18.0g二乙烯基苯(DVB)混合于一500ml烧杯中,在室温下用乳化机在10000rpm的高速搅拌下乳化5min,获得预乳液约291.1g。
(2)交联聚苯乙烯纳米微球乳液的制备
称取60.00g上述预乳液、1.50g十二烷基硫醇和82.8g水加入装有搅拌器和回流冷凝管的四颈瓶中作为种子乳液,开动搅拌器并通入氮气,逐渐升温至70℃。当四口瓶中的种子乳液泛蓝光后,开始慢慢将上面剩余的231.10g预乳液滴加到反应体系中,温度始终维持在70℃,大约2小时滴加完毕,并在此温度下继续保持搅拌反应2h,然后升温到95℃保持10min,使反应完全。降至室温,获得质量浓度为30%的、主要粒径分布在65nm的交联聚苯乙烯纳米微球乳液备用。
2)交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-3)的配置:上述交联聚苯乙烯纳米微球乳液200.0克,聚丙烯酸銨0.6克,丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物乳液(粘合剂,质量浓度50%)12.0克,蒸馏水231.4克,一次性放入烧杯中,在每分钟5000转的转速下混合乳化,形成绝对粘度为18mPa·S的交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-3)。
3)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的制备:将上面所配置的CPS-NP/H2O-3交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为40μm的悬浮液膜,然后将厚度为19μm、孔隙率为70%的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在CPS-NP/H2O-3悬浮液膜上,悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中,待纳米纤维布上层湿透,表明非织造布的孔隙中已完全充满了悬浮液,揭起PI纳米纤维非织造布,在100℃下热烘10min,升温至200℃热处理5min,使CPS-NP纳米微球颗粒间及纳米颗粒与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯熔融而充分粘结形成二元有机纳米复合多孔膜。
4)性能表征:所制备的CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的厚度为20μm、拉伸强度为40MPa、断裂伸长率为38%、穿刺强度为6.0N、在300℃下的热收缩率为0、多孔膜的孔隙率为35%、表面平均孔径为50nm、面密度为12.0g/m2,在0.24bar压力下的透气性为200S、电击穿强度为45V/μm,离子电导率为3.0×10-3S·cm-1。
实施例4:
一种CPS-NP填充的复合多曲孔膜材料,它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材,基材孔隙中填充有CPS-NP;
其制备方法如下:
1)交联聚苯乙烯微球(CPSMP)的制备:
(1)预乳液制备
准确称取4.0g阴离子型表面活性剂(型号NPES-458)、1.1g过硫酸銨(APS)、180.0g水、70.0g苯乙烯(St)、14.0g衣康酸单丁酯(MBA)和16.0g二乙烯基苯(DVB)混合于一500ml烧杯中,在室温下用乳化机在10000rpm的高速搅拌下乳化5min,获得预乳液约285.1g。
(2)交联聚苯乙烯纳米微球乳液的制备
称取60.00g上述预乳液、1.50g十二烷基硫醇和139.8g水加入装有搅拌器和回流冷凝管的四颈瓶中作为种子乳液,开动搅拌器并通入氮气,逐渐升温至70℃。当四口瓶中的种子乳液泛蓝光后,开始慢慢将上面剩余的225.10g预乳液滴加到反应体系中,温度始终维持在70℃,大约2小时滴加完毕,并在此温度下继续保持搅拌反应2h,然后升温到95℃保持10min,使反应完全。降至室温,获得质量浓度为25%的、主要粒径分布在200nm的交联聚苯乙烯纳米微球乳液备用。
2)交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-4)的配置:上述交联聚苯乙烯纳米微球乳液300.0克,聚丙烯酸銨0.8克,丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物乳液(粘合剂,质量浓度50%)15.0克,蒸馏水100.7克,一次性放入烧杯中,在每分钟5000转的转速下混合乳化,形成绝对粘度为17mPa·S的交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液(CPS-NP/H2O-4)。
3)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的制备:将上面所配置的CPS-NP/H2O-4交联聚苯乙烯纳米微球水基悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为40μm的悬浮液膜,然后将厚度为23μm、孔隙率为80%的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在CPS-NP/H2O-4悬浮液膜上,悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中,待纳米纤维布上层湿透,表明非织造布的孔隙中已完全充满了悬浮液,揭起PI纳米纤维非织造布,在100℃下热烘10min,升温至200℃热处理5min,使CPS-NP纳米微球颗粒间及纳米颗粒与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯熔融而充分粘结形成二元有机纳米复合多孔膜。
4)性能表征:所制备的CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐温高安全电池隔膜的厚度为25μm、拉伸强度为32MPa、断裂伸长率为35%、穿刺强度为5.0N、在300℃下的热收缩率为0、多孔膜的孔隙率为45%、表面平均孔径为150nm、面密度为8.0g/m2,在0.24bar压力下的透气性为20S、电击穿强度为35V/μm,离子电导率为8.0×10-3S·cm-1。
以上实验材料和结果测试设备说明:
(一)实验材料:
本发明的4个实验实例中使用的无机微纳米粉料、PI纳米纤维非织造布、高分子分散剂和高分子粘合剂均是通过商业渠道购买得到。
1)电纺聚酰亚胺纳米纤维非织造布,由江西先材纳米纤维科技有限公司生产;
2)聚丙烯酸铵,购自山东淄博京和染料化工有限公司;
3)高效乳化剂NPES-458(壬基酚聚氧乙烯(4)醚硫酸铵)购自佛山市科的化学品技术有限公司。
(二)实验结果测试与表征
本发明中4个实验实例的实验结果是通过以下仪器设备进行常规性测试和表征。
1)聚合物溶液和纺丝液绝对粘度用NDJ-8S粘度计(上海精密科学仪器公司)测定;
2)电纺纳米纤维的直径是用扫描电子显微镜VEGA 3 SBU(捷克共和国)测定;
3)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐高温高安全电池隔膜的热分解温度用WRT-3P热失重分析仪(TGA)(上海精密科学仪器有限公司)测定;
4)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐高温高安全电池隔膜的机械性质(强度、断裂伸长等)用CMT8102微型控制电子万能试验机(深圳SANS材料检测有限公司)测定;
5)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐高温高安全电池隔膜的玻璃化温度是使用Diamond动态机械分析仪(DMA)(Perkin-Elmer,美国)测定;
6)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐高温高安全电池隔膜的孔隙率是通过下列算式计算得到:
孔隙率β=[1-(ρ/ρo)]×100
其中ρ为CPS-NP/PI二元有机纳米复合多孔膜的密度(克/cm3),ρo为CPS-NP/PI二元有机纳米复合实体薄膜(通过溶液浇铸法制备)的密度(克/cm3);
7)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐高温高安全电池隔膜的透气性及表面孔径是使用美国的Porometer 3G透气性测试仪测定;
8)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐高温高安全电池隔膜的离子电导率是使用电化学工作站CHI 660D(晨华仪器,中国上海)测定;
9)CPS-NP/PI二元有机纳米复合耐高温高安全电池隔膜的电击穿强度是用上海亨美电气有限公司的ZHZ8型耐压测试仪。
Claims (9)
1.一种纳米复合多曲孔膜材料,其特征在于:它以聚酰亚胺PI纳米纤维非织造布为基材,基材孔隙中填充有交联聚苯乙烯纳米微球CPS-NP;所述的CPS-NP,其直径在50-200nm之间,熔融温度高于300℃,占纳米复合多曲孔膜材料总重量的20-60%;所述的PI纳米纤维非织造布是厚度在9-38μm之间、孔隙率在60-80%之间、纤维直径在0.5μm以下的电纺PI纳米纤维非织造布;
所述的纳米复合多曲孔膜材料由以下方法制备:
1)配制水基悬浮液:
按重量百分比计,将45-75%的含25-40%所述交联聚苯乙烯纳米微球的乳液、0.1%-1.0%的分散剂、1.0-5.0%的粘合剂和余量的水混合后在4000-6000转/min的转速下乳化,形成绝对粘度在15-25mPa·S的、所述CPS-NP的含量在10-20%wt的水基悬浮液;
2)填充纳米颗粒:
将步骤1)配制的水基悬浮液在水平板上铺平形成一定厚度的悬浮液膜,然后将所述的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在所述的悬浮液膜上,悬浮液渗进电纺PI纳米纤维非织造布中,待纳米纤维布上层湿透,揭起PI纳米纤维非织造布;
3)干燥粘结成型:
将步骤2)得到的电纺PI纳米纤维非织造布先在80~100℃下热烘8~12min,再升温至180~200℃热处理3~6min,使CPS-NP间以及它们与PI纳米纤维间因粘合剂的熔融而充分粘结形成所述的纳米复合多曲孔膜材料。
2.权利要求1所述的材料,其特征在于:所述的纳米复合多曲孔膜材料,其孔隙率在30-50%之间,表面平均孔径在50-300nm之间,厚度在10-40μm之间。
3.权利要求1所述的材料,其特征在于:所述的粘合剂选自聚丙烯酸酯类粘合剂;所述的分散剂为聚丙烯酸铵。
4.权利要求1所述的材料,其特征在于:所述的粘合剂为丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物。
5.权利要求1所述的材料,其特征在于:步骤1)所述的水基悬浮液的绝对粘度为17~22mPa·S。
6.一种制备权利要求1所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法,是以含所述CPS-NP的低粘度水基悬浮液和电纺PI纳米纤维非织造布为原材料,通过表面涂敷渗透或浸渍涂敷渗透的方法,将所述的CPS-NP填进电纺PI纳米纤维非织造布的孔隙中,在较低温度烘干后,升温至较高温度使粘合剂在CPS-NP间及颗粒与PI纳米纤维间进行粘合,其特征在于,具体包括以下步骤:
1)配制水基悬浮液:
按重量百分比计,将45-75%的含25-40%所述交联聚苯乙烯纳米微球的乳液、0.1%-1.0%的分散剂、1.0-5.0%的粘合剂和余量的水混合后在4000-6000转/min的转速下乳化,形成绝对粘度在15-25mPa·S的、所述CPS-NP的含量在10-20%wt的水基悬浮液;
2)填充纳米颗粒:
将步骤1)配制的水基悬浮液在水平板上铺平形成一定厚度的悬浮液膜,然后将所述的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在所述的悬浮液膜上,悬浮液渗进电纺PI纳米纤维非织造布中,待纳米纤维布上层湿透,揭起PI纳米纤维非织造布;
3)干燥粘结成型
将步骤2)得到的电纺PI纳米纤维非织造布先在80~100℃下热烘8~12min,再升温至180~200℃热处理3~6min,使CPS-NP间以及它们与PI纳米纤维间因粘合剂的熔融而充分粘结形成所述的纳米复合多曲孔膜材料。
7.权利要求6所述的方法,其特征在于:步骤1)所述的粘合剂为聚丙烯酸酯;所述的分散剂为聚丙烯酸铵。
8.权利要求6所述的方法,其特征在于:步骤1)所述的粘合剂为丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物。
9.权利要求6所述的方法,其特征在于:骤3)是将步骤2)得到的电纺PI纳米纤维非织造布先在100℃下热烘10min,再升温至200℃热处理5min。
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