CN105591054B - 一种增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜及其制备方法 - Google Patents

一种增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增韧改性聚偏氟乙烯基的锂离子电池隔膜及其制备方法，所述的其制备方法包括如下步骤：1）聚偏氟乙烯（PVDF）‑丙烯酸酯橡胶（ACM）溶液的制备，2）改性纳米二氧化硅的制备，3）聚偏氟乙烯‑改性纳米二氧化硅杂化溶液的制备，4）薄膜喷涂，烘干成膜，5）膜热压处理。本发明采用丙烯酸橡胶（ACM）改性聚偏氟乙烯（PVDF）以提高其韧性，从而降低在生产中的破损率、提高使用年限；同时提高PVDF膜表面能，让锂电池电解液能够更好的润湿薄膜，提高电池性能。

Description

一种增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及多孔膜材料制备技术领域，特别涉及一种锂电池隔膜及其制备方法。
背景技术
PVDF薄膜化学稳定性良好，其热变形温度112~145℃，长期使用温度为-40~150℃，这一特征已经远高于电池的普通的使用环境；同时不易被酸、碱、强氧化剂和卤素所腐蚀，且脂肪烃、芳香烃、醇、醛等有机溶剂对它也无影响，仅有发烟硫酸、强碱、酮、醚等少数化学药品能使其溶胀或部分溶解，所以，相较于传统聚烯烃锂电池隔膜，PVDF薄膜作为锂电池隔膜具有更加优异的耐热性、抗形变性及使用寿命。
但PVDF薄膜具有质地比较硬，在生产过程中极易出现薄膜开裂的问题，对生产容错率很低；同时PVDF薄膜的表面能极低，在锂电池电解质溶液中不易被润湿，即吸液率比较低，极大的影响了电解液中离子的移动速率，造成锂电池充放电速率受到影响。
发明内容
为了解决PVDF作为锂电池隔膜使用过程中存在的质地偏硬、吸液率低的问题，本发明采用同样耐热、耐溶剂性优异的丙烯酸酯橡胶作为柔性链段改性PVDF，从而降低PVDF的脆性、提高PVDF的吸液率，后期丙烯酸酯在高温硫化后，薄膜的耐溶剂性、强度又会得到进一步的提升。
本发明所制备的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜及其制备方法是通过以下技术手段实现的。
步骤1：采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、二甲基乙酰胺（DMAc）、聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯（PVDF）粉末混合，在25-45℃下缓慢溶解，制备聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯溶液（溶液1）。
步骤2：采用卤代烃、固化剂、丙烯酸酯橡胶（ACM）混合，在30-50℃下缓慢溶解，制备丙烯酸酯橡胶溶液（溶液2）。
步骤3：将溶液2缓慢加入溶液1中，并慢速搅拌，二者混合后并持续搅拌一段时间至溶液澄清无颗粒或絮状物析出。
步骤4：将气相二氧化硅分散于水-乙醇混合溶剂中，缓慢滴加硅烷偶联剂，在50-70℃恒温水解改性3-5h，采用减压蒸馏的方法蒸出混合溶剂，将制备的改性二氧化硅再通过气流粉碎为纳米级得到改性纳米二氧化硅颗粒。
步骤5：将步骤4中的改性纳米二氧化硅颗粒分散于步骤1中制备的聚偏氟乙烯溶液中，缓慢分散3-5h至溶液澄清透明，制得聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液。
步骤6：将聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液通过无气喷涂的方式喷涂于聚四氟乙烯板材上，置于150℃的环境中烘干成膜，取膜，并回收PVP与DMAc。
步骤7：将取下的薄膜通过热滚压机，对热压膜进行拉伸、裁切、收卷成膜，即得锂电池隔膜。
所述步骤1中（质量比）PVP:DMAc:PVDF=(3-5):(40-70):(20-30)，PVP分子量为104等级，PVDF分子量等级为105等级，[η]=1.2-2dL/g。
所述步骤2中丙烯酸酯橡胶的玻璃化温度范围为-15-40℃，门尼粘度(ML1+4(100℃))范围在30-50g/min。
所述步骤2中（质量比）卤代烃：固化剂：丙烯酸酯橡胶（ACM）=10-20:1-5:0.05-0.5。
所述步骤2中卤代烃为二氯甲烷、三氯甲烷中的一种。
所述步骤2中固化剂为偶氮二异丁腈（AIBN）、过氧化苯甲酰（BPO）中的一种。
所述步骤3中（质量比）溶液1：溶液2=2:1-2，慢速搅拌速率为30-60r/min，混合持续搅拌时间为3-6h。
所述步骤2中（质量比）气相二氧化硅:水:乙醇:硅烷偶联剂=10:30-50:20-40:0.5-1；硅烷偶联剂为KH-550、KH-570中的任意一种。
所述步骤3中（质量比）改性纳米二氧化硅:聚偏氟乙烯溶液=1:(15-25)。
所述步骤5中，热压温度为160-180℃，热压辊间距为0.01-0.1mm。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）PVDF薄膜生产中成品率显著提高，并对设备精细度要求降低；
（2）相同电解质等条件下，充放电速率优于以未改性PVDF作为隔膜的锂离子电池；
（3）成本降低20%左右。
具体实施例
下面通过具体实施方式来对本发明做进一步说明。
实施例1：（比例均为质量比）。
步骤1：采用PVP:DMAc:PVDF=3:40:20混合，在25℃下缓慢溶解，制备聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯溶液（溶液1）。
步骤2：采用二氟丙烷:偶氮二异丁腈:丙烯酸酯橡胶（玻璃化温度-15℃，门尼粘度30）=10:1:0.05混合，在30℃下缓慢溶解，制备丙烯酸酯橡胶溶液（溶液2）。
步骤3：溶液1:溶液2=1:1，将溶液2缓慢加入溶液1中，以30r/min的速率慢速搅拌，二者混合后并持续搅拌3h至溶液澄清无颗粒或絮状物析出。
步骤4：将气相二氧化硅分散于水-乙醇混合溶剂中，缓慢滴加KH-550，其中气相二氧化硅:水:乙醇:KH-550=10:30:20:0.5，在50-70℃恒温水解改性3h，采用减压蒸馏的方法蒸出混合溶剂，将制备的改性二氧化硅通过气流粉碎成纳米级。
步骤5：将改性纳米二氧化硅颗粒分散于聚偏氟乙烯溶液中，其中改性纳米二氧化硅:聚偏氟乙烯溶液=1:15，缓慢分散3h至溶液澄清透明，制得聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液。
步骤6：.将杂化溶液通过无气喷涂的方式喷涂于聚四氟乙烯板材上，置于烘箱（150℃）中烘干成膜，将聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅薄膜取下，回收PVP与DMAc。
步骤7：将取下的薄膜通过热滚压机，热压温度为160℃，热压辊间距为0.02mm，对热压膜进行拉伸、裁切、收卷成膜，既得锂电池隔膜。
实施例2：（比例均为质量比）。
步骤1：采用PVP:DMAc:PVDF=4:50:20混合，在35℃下缓慢溶解，制备聚偏氟乙烯溶液（溶液1）。
步骤2：采用二氟丙烷:偶氮二异丁腈:丙烯酸酯橡胶（玻璃化温度-25℃，门尼粘度40）=15:2:0.08混合，在35℃下缓慢溶解，制备丙烯酸酯橡胶溶液（溶液2）。
步骤3：溶液1:溶液2=2:1.5，将溶液2缓慢加入溶液1中，以30r/min的速率慢速搅拌，二者混合后并持续搅拌3h至溶液澄清无颗粒或絮状物析出。
步骤4：将气相二氧化硅分散于水-乙醇混合溶剂中，缓慢滴加KH-550，其中气相二氧化硅:水:乙醇:KH-550=10:30:20:0.5，在50-70℃恒温水解改性3h，采用减压蒸馏的方法蒸出混合溶剂，将制备的改性二氧化硅通过气流粉碎成纳米级。
步骤5：将改性纳米二氧化硅颗粒分散于聚偏氟乙烯溶液中，其中改性纳米二氧化硅:聚偏氟乙烯溶液=1:15，缓慢分散3h至溶液澄清透明，制得聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液。
步骤6：将杂化溶液通过无气喷涂的方式喷涂于聚四氟乙烯板材上，置于烘箱（150℃）中烘干成膜，将聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅薄膜取下，回收PVP与DMAc。
步骤7：将取下的薄膜通过热滚压机，热压温度为160℃，热压辊间距为0.02mm，对热压膜进行拉伸、裁切、收卷成膜，既得锂电池隔膜。
实施例3：（比例均为质量比）。
步骤1：采用PVP:DMAc:PVDF=4:50:30混合，在35℃下缓慢溶解，制备聚偏氟乙烯溶液（溶液1）。
步骤2：采用三氟丙烷:过氧化苯甲酰:丙烯酸酯橡胶（玻璃化温度-30℃，门尼粘度30）=15:3:0.2混合，在30℃下缓慢溶解，制备丙烯酸酯橡胶溶液（溶液2）。
步骤3：溶液1:溶液2=2:1，将溶液2缓慢加入溶液1中，以30r/min的速率慢速搅拌，二者混合后并持续搅拌4h至溶液澄清无颗粒或絮状物析出。
步骤4：将气相二氧化硅分散于水-乙醇混合溶剂中，缓慢滴加KH-550，其中气相二氧化硅:水:乙醇:KH-550=10:30:20:0.5，在50-70℃恒温水解改性3h，采用减压蒸馏的方法蒸出混合溶剂，将制备的改性二氧化硅通过气流粉碎成纳米级。
步骤5：将改性纳米二氧化硅颗粒分散于聚偏氟乙烯溶液中，其中改性纳米二氧化硅:聚偏氟乙烯溶液=1:15，缓慢分散3h至溶液澄清透明，制得聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液。
步骤6：将杂化溶液通过无气喷涂的方式喷涂于聚四氟乙烯板材上，置于烘箱（150℃）中烘干成膜，将聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅薄膜取下，回收PVP与DMAc。
步骤7：将取下的薄膜通过热滚压机，热压温度为160℃，热压辊间距为0.02mm，对热压膜进行拉伸、裁切、收卷成膜，既得锂电池隔膜。
实施例4：（比例均为质量比）。
步骤1：采用PVP:DMAc:PVDF=5:70:30混合，在45℃下缓慢溶解，制备聚偏氟乙烯溶液（溶液1）。
步骤2：采用三氟丙烷:过氧化苯甲酰:丙烯酸酯橡胶（玻璃化温度-35℃，门尼粘度40）=20:4:0.3混合，在40℃下缓慢溶解，制备丙烯酸酯橡胶溶液（溶液2）。
步骤3：溶液1:溶液2=2:1，将溶液2缓慢加入溶液1中，以60r/min的速率慢速搅拌，二者混合后并持续搅拌5h至溶液澄清无颗粒或絮状物析出。
步骤4：将气相二氧化硅分散于水-乙醇混合溶剂中，缓慢滴加KH-550，其中气相二氧化硅:水:乙醇:KH-550=10:30:20:0.5，在50-70℃恒温水解改性3h，采用减压蒸馏的方法蒸出混合溶剂，将制备的改性二氧化硅通过气流粉碎成纳米级。
步骤5：将改性纳米二氧化硅颗粒分散于聚偏氟乙烯溶液中，其中改性纳米二氧化硅:聚偏氟乙烯溶液=1:15，缓慢分散3h至溶液澄清透明，制得聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液。
步骤6：将杂化溶液通过无气喷涂的方式喷涂于聚四氟乙烯板材上，置于烘箱（150℃）中烘干成膜，将聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅薄膜取下，回收PVP与DMAc。
步骤7：将取下的薄膜通过热滚压机，热压温度为160℃，热压辊间距为0.02mm，对热压膜进行拉伸、裁切、收卷成膜，既得锂电池隔膜。
实施例5：（比例均为质量比）。
步骤1：采用PVP:DMAc:PVDF=5:60:25混合，在45℃下缓慢溶解，制备聚偏氟乙烯溶液（溶液1）。
步骤2：采用三氟丙烷:过氧化苯甲酰:丙烯酸酯橡胶（玻璃化温度-40℃，门尼粘度50）=20:5:0.5混合，在40℃下缓慢溶解，制备丙烯酸酯橡胶溶液（溶液2）。
步骤3：溶液1:溶液2=2:1，将溶液2缓慢加入溶液1中，以30r/min的速率慢速搅拌，二者混合后并持续搅拌6h至溶液澄清无颗粒或絮状物析出。
步骤4：将气相二氧化硅分散于水-乙醇混合溶剂中，缓慢滴加KH-550，其中气相二氧化硅:水:乙醇:KH-550=10:30:20:0.5，在50-70℃恒温水解改性3h，采用减压蒸馏的方法蒸出混合溶剂，将制备的改性二氧化硅通过气流粉碎成纳米级。
步骤5：将改性纳米二氧化硅颗粒分散于聚偏氟乙烯溶液中，其中改性纳米二氧化硅:聚偏氟乙烯溶液=1:15，缓慢分散3h至溶液澄清透明，制得聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液。
步骤6：将杂化溶液通过无气喷涂的方式喷涂于聚四氟乙烯板材上，置于烘箱（150℃）中烘干成膜，将聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅薄膜取下，回收PVP与DMAc。
步骤7：将取下的薄膜通过热滚压机，热压温度为160℃，热压辊间距为0.02mm，对热压膜进行拉伸、裁切、收卷成膜，既得锂电池隔膜。

Claims (10)

1.一种增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、二甲基乙酰胺(DMAC)、聚偏氟乙烯(PVDF)粉末混合，在25-45℃下缓慢溶解，制备聚偏氟乙烯溶液，简称为溶液1；
步骤2：采用卤代烃、固化剂、丙烯酸酯橡胶(ACM)混合，在30-50℃下缓慢溶解，制备丙烯酸酯橡胶溶液，简称为溶液2；
步骤3：将溶液2缓慢加入溶液1中，并慢速搅拌，二者混合后并持续搅拌一段时间至溶液澄清无颗粒或絮状物析出，制备改性聚偏氟乙烯，简称溶液3；
步骤4：将气相二氧化硅分散于水-乙醇混合溶剂中，缓慢滴加硅烷偶联剂，在50-70℃恒温水解改性3-5h，采用减压蒸馏的方法蒸出混合溶剂，将制备的改性二氧化硅再通过气流粉碎为纳米级得到改性纳米二氧化硅颗粒；
步骤5：将步骤4中的改性纳米二氧化硅颗粒分散于步骤3中制备的溶液3中，缓慢分散3-5h至溶液澄清透明，制得改性聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液；
步骤6：将改性聚偏氟乙烯-改性纳米二氧化硅杂化溶液通过无气喷涂的方式喷涂于聚四氟乙烯板材上，置于150℃的环境中烘干成膜，取膜，并回收聚乙烯吡咯烷酮与二甲基乙酰胺；
步骤7：将取下的薄膜通过热滚压机，对热压膜进行拉伸、裁切、收卷成膜，即得锂电池隔膜。
2.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤1中质量比聚乙烯吡咯烷酮:二甲基乙酰胺:聚偏氟乙烯＝(3-5):(40-70):(20-30)，PVP分子量为104等级，PVDF分子量等级为105等级，[η]＝1.2-2dL/g。
3.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤2中丙烯酸酯橡胶的玻璃化温度范围为-15-40℃，门尼粘度ML100℃1+4的范围在30-50g/min。
4.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤2中质量比卤代烃：固化剂：丙烯酸酯橡胶(ACM)＝10-20:1-5:0.05-0.5。
5.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤2中卤代烃为二氯甲烷、三氯甲烷中的一种。
6.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤2中固化剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化苯甲酰(BPO)中的一种。
7.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤3中质量比溶液1：溶液2＝2:1-2，慢速搅拌速率为30-60r/min，混合持续搅拌时间为3-6h。
8.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤4中质量比气相二氧化硅:水:乙醇:硅烷偶联剂＝10:30-50:20-40:0.5-1；硅烷偶联剂为KH-550、KH-570中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤5中质量比改性纳米二氧化硅:改性聚偏氟乙烯溶液＝1:(15-25)。
10.根据权利要求1所述的增韧改性聚偏氟乙烯基体的锂电池隔膜的制备方法，其特征在于步骤7中，热压温度为160-180℃，热压辊间距为0.01-0.1mm。
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