CN106654117B - 一种离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法。使用尼龙系列产品在离子液体中与纤维素进行共混改性制备出共混膜材料，然后进一步以水性聚氨酯系列产品为浸渍液对共混膜进行浸渍处理，经干燥后制备出新型改性纤维素锂电池隔膜。制备的改性锂电池隔膜以离子液体为绿色可回收的新型纤维素溶剂，天然纤维素为安全可再生基材，起机械增强效果的为共混改性物质尼龙和表面浸渍物质水性聚氨酯。制备的改性纤维素锂电池隔膜能够直接用作锂电池的生产制备，具有较大的现实应用价值和经济效益。

Description

一种离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂电池隔膜材料，尤其是离子液体溶剂体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法，特别适用于锂电池隔膜的使用。
背景技术
随着锂离子电池逐步在以混合动力汽车和纯电动汽车为代表的新能源汽车中得到广泛应用，蓬勃发展的新兴市场对锂电池的性能，尤其是热安全性能提出了更高的技术要求。电池隔膜可以控制微粒离子的通过，防止电池电极的内部短路，隔膜性能直接影响到电池的循环寿命和安全性能。隔膜是锂电池的核心部件之一，且隔膜的成本占锂电池总成本的25％左右，开发低成本、具有高安全性能的隔膜至关重要。
隔膜的热安全性(闭孔和破膜温度)取决于制备隔膜基材的熔点，目前使用的聚烯烃膜材料如PE熔点为128～135℃，PP为150～160℃，其在高温下易变形，导致正负极直接接触出现热失控而爆炸，已经不能满足高功率动力电池安全性的需要。聚烯烃隔膜材料的透气性和浸润性(吸液性、保液性)较差，无法完全满足电池快速充放电的要求，影响电池的循环使用寿命。
面对当前的石油等不可再生资源的短缺以及环境污染问题，加快纤维素等可再生资源的开发利用迫在眉睫。与合成高分子相比，它可完全降解、无毒、无污染、易于改性、生物相容性好，被公认为世界绿色能源和化工的主要原料。纤维素的热稳定性好，初始分解温度在270℃以上，对电解液的浸润性较好，耐化学溶剂和电化学稳定性好，能够确保高吸液率和高安全性能。但纯纤维素膜机械强度较低，需要对其进行改性处理，确保在改善其机械性能的同时拓宽其应用范围。尼龙具有机械性能优良、抗冲击性能好、熔点高(228℃)、耐弱酸和耐碱等特点。将具有良好热稳定性的尼龙与纤维素共混，两者进行性能上的互补，可以替代聚烯烃隔膜材料并能保证电池的热安全性。
发明内容
本发明提供一种离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法，采用离子液体为溶剂，以尼龙为聚合物材料，对纤维素进行共混改性制备共混膜，进一步以水性聚氨酯为浸渍液对共混膜进行浸渍改性，制备出安全性能高、各项性能稳定的改性纤维素锂电池隔膜。
为实现上述目的，本发明所制备的改性纤维素锂电池隔膜厚度为50～200μm，机械强度为20～70MPa，电解液吸收率为100～500％，孔隙率为40～90％。
本发明采用的技术方案是：一种改性纤维素锂电池隔膜，在离子液体中分别溶解尼龙和溶解纤维素后进行共混改性，得到纤维素/尼龙共混铸膜液，然后铸涂成膜，得到纤维素/尼龙共混膜，进一步将共混膜在水性聚氨酯中进行浸渍，经去离子水浸泡，取出干燥后最终得到改性纤维素锂电池隔膜。
所述纤维素为棉浆粕、阔叶木浆粕或针叶木浆粕中的一种或多种混合浆粕中提取的天然纤维素。
所述尼龙为尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、尼龙61或尼龙9T中的一种。
所述离子液体为吡啶类离子液体、咪唑醋酸盐离子液体、咪唑卤化盐离子液体或氨基酸离子液体中的一种。
所述水性聚氨酯为聚醚型水性聚氨酯、聚酯型水性聚氨酯以及聚醚、聚酯混合型水性聚氨酯中的一种。
上述的改性纤维素锂电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)离子液体溶解尼龙：用离子液体溶解尼龙时，温度为90～160℃，搅拌时间为5-10h，离子液体和尼龙的质量比为5:1～15:1；
(2)离子液体溶解纤维素：用离子液体溶解纤维素时，温度为50～120℃，搅拌时间为4～8h，离子液体和纤维素的质量比5:1～15:1；
(3)纤维素共混改性：按照尼龙和纤维素的质量比为1：0.5～1，在步骤(1)得到得尼龙溶液中加入步骤(2)得到的纤维素溶液，共混温度为70～130℃，共混时间为30～180min；
(4)共混膜的制备：将混合纤维素/尼龙共混溶液铸涂成膜，进行相分离、干燥工艺，最终制成纤维素/尼龙共混膜；
(5)共混膜的浸渍改性：以水性聚氨酯为浸渍液，将共混膜在水性聚氨酯中进行浸渍处理，水性聚氨酯的浓度为10～50％，浸渍时间为6～48h，浸渍完成后，将改性共混膜浸泡在去离子水中5～30min，取出干燥；
所述步骤(4)为将共混后纤维素/尼龙共混溶液铸涂成膜后利用沉淀剂对其进行相分离，然后经干燥后制备出纤维素/尼龙共混膜；
所述沉淀剂为水或有机小分子溶剂中的一种。
本发明的有益效果是：以离子液体溶解的纤维素与尼龙共混物制备共混膜，以水性聚氨酯作为共混膜浸渍液，经干燥后得到改性纤维素锂电池隔膜。整个过程无中间衍生物生成，绿色环保且离子液体可重复使用，制备的锂电池隔膜机械性能高、热安全性能好，各项性能指标稳定，可应用于锂电池隔膜的使用。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
实施例1离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备
第一步：溶解尼龙。将5g1-丁基-3甲基吡啶醋酸盐、1g尼龙66加入到圆底烧瓶中，在110℃下搅拌8h，至尼龙66全部溶解；
第二步：溶解纤维素。将5g1-丁基-3甲基吡啶醋酸盐、0.5g纤维素加入到圆底烧瓶中，在90℃下搅拌5h，至纤维素全部溶解；
第三步：纤维素/尼龙共混。将溶解的纤维素溶解加入到已溶解的尼龙溶液，在80℃下搅拌90min，进行纤维素/尼龙的共混；
第四步：共混膜制备。将得到的纤维素/尼龙共混铸膜液铸涂成膜，用乙醇溶液作为沉淀剂，经过相分离、干燥等工艺，最终制得纤维素/尼龙共混膜；
第五步：电池隔膜制备。将制备出的共混膜浸泡在浓度为30％的水性聚氨酯中，5h后取出，浸泡在去离子水中10min后，取出干燥。
实施例2离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备
第一步：溶解尼龙。将9g1-丁基-3甲基咪唑醋酸盐、1g尼龙11加入到圆底烧瓶中，在120℃下搅拌19h，至尼龙11全部溶解；
第二步：溶解纤维素。将9g1-丁基-3甲基吡啶醋酸盐、0.7g纤维素加入到圆底烧瓶中，在110℃下搅拌4h，至纤维素全部溶解；
第三步：纤维素/尼龙共混。将溶解的纤维素溶解加入到已溶解的尼龙溶液，在90℃下搅拌30min，进行纤维素尼龙的共混；
第四步：共混膜制备。将得到的纤维素/尼龙共混铸膜液铸涂成膜，用乙醇溶液作为沉淀剂，经过相分离、干燥等工艺，最终制得纤维素/尼龙共混膜；
第五步：电池隔膜制备。将制备出的共混膜浸泡在浓度为20％的水性聚氨酯中，10h后取出，浸泡在去离子水中15min后，取出干燥。
实施例3离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备
第一步：溶解尼龙。将8g1-乙基-3甲基咪唑溴盐、1g尼龙6加入到圆底烧瓶中，在100℃下搅拌10h，至尼龙6全部溶解；
第二步：溶解纤维素。将8g1-乙基-3甲基咪唑溴盐、0.8g纤维素加入到圆底烧瓶中，在100℃下搅拌4h，至纤维素全部溶解；
第三步：纤维素尼龙共混。将溶解的纤维素溶解加入到已溶解的尼龙溶液，在110℃下搅拌60min，进行纤维素尼龙的共混；
第四步：共混膜制备。将得到的纤维素/尼龙共混铸膜液铸涂成膜，用乙醇溶液作为沉淀剂，经过相分离、干燥等工艺，最终制得纤维素/尼龙共混膜；
第五步：电池隔膜制备。将制备出的共混膜浸泡在浓度为25％的水性聚氨酯中，8h后取出，浸泡在去离子水中10min后，取出干燥。
对实施例1-3生产的锂电池隔膜进行测试：其厚度为50～150μm，机械强度在30MPa以上，电解液吸收率在210％以上，孔隙率达到60％。可见本发明的隔膜材料吸液率高，机械性能好，安全性能较为理想。
上述说明指出并描述了本发明的若干优选实施例，但应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其它实施例的排除。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜，其特征在于，在离子液体中分别在90～160℃温度下溶解尼龙和在50～120℃温度下溶解纤维素，溶解后的尼龙和纤维素在70～130℃温度下共混改性，得到纤维素/尼龙共混膜，然后进一步使用水性聚氨酯为浸渍液对共混膜进行浸渍处理，经去离子水浸泡，取出干燥后得到性能良好的改性纤维素锂电池隔膜。
2.根据权利要求1所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜，其特征在于，所述锂电池隔膜厚度为50～200μm，机械强度为20～70MPa，电解液吸收率为100～500％，孔隙率为40～90％。
3.根据权利要求1所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜，其特征在于，所述尼龙为尼龙6、尼龙66、尼龙11、尼龙12、尼龙61或尼龙9T中的一种。
4.根据权利要求1所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜，其特征在于，所述纤维素为棉浆粕、阔叶木浆粕或针叶木浆粕中的一种或多种混合浆粕中提取的天然纤维素。
5.根据权利要求1所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜，其特征在于，所述离子液体为吡啶类离子液体、咪唑醋酸盐离子液体、咪唑卤化盐离子液体或氨基酸离子液体中的一种。
6.根据权利要求1所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜，其特征在于，所述水性聚氨酯为聚醚型水性聚氨酯、聚酯型水性聚氨酯以及聚醚、聚酯混合型水性聚氨酯中的一种。
7.一种如权利要求1～6任一项所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)离子液体溶解尼龙：用离子液体溶解尼龙时，温度为90～160℃，搅拌时间为5-10h，离子液体和尼龙的质量比为5:1～15:1；
(2)离子液体溶解纤维素：用离子液体溶解纤维素时，温度为50～120℃，搅拌时间为4～8h，离子液体和纤维素的质量比5:1～15:1；
(3)纤维素共混改性：按照尼龙和纤维素的质量比为1：0.5～1，在步骤(1)得到的尼龙溶液加入步骤(2)得到的纤维素溶液，共混温度为70～130℃，共混时间为30～180min；
(4)共混膜的制备：将混合纤维素/尼龙共混溶液铸涂成膜，进行相分离、干燥工艺，最终制成纤维素/尼龙共混膜；
(5)共混膜的浸渍改性：以水性聚氨酯为浸渍液，将共混膜在水性聚氨酯中进行浸渍处理，水性聚氨酯的浓度为10～50％，浸渍时间为6～48h，浸渍完成后，将改性共混膜浸泡在去离子水中5～30min，取出干燥。
8.根据权利要求7所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)为将共混后纤维素/尼龙共混溶液铸涂成膜后利用沉淀剂对其进行相分离，然后经干燥后制备出纤维素/尼龙共混膜。
9.根据权利要求8所述的离子液体体系下改性纤维素锂电池隔膜的制备方法，其特征在于，所述沉淀剂为水或有机小分子溶剂中的一种。
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