CN108847466A - 提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法 - Google Patents

提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法 Download PDF

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向明
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Abstract

本发明涉及电池隔膜领域，尤其是提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法。该制备方法包括以下步骤：(1)将锂离子离子电池隔膜在25‑100℃下，与低分子量寡聚物或小分子物质进行共混处理，处理时间为5‑600s，处理压力为0.1‑100Pa；(2)将未溶胀进入锂离子离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或有机小分子物质除去，除去作业的处理温度为25‑100℃，处理时间5‑60s。本发明通过用低分子寡聚物及小分子物质对隔膜进行处理，进而提高隔膜断裂伸长率、耐穿刺性能，同时保持其透过性能、孔隙率基本不变。

Description

提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法
技术领域
本发明涉及电池隔膜领域，尤其是提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池，因其能量密度高、寿命较长、组成材料环境友好等特点，被广泛应用于电子设备、新能源、航空航天甚至动力汽车等领域。隔膜是锂离子电池各结构中的关键内层组件之一，它的主要作用是将电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，同时使电解质离子通过。它的性能决定了电池的界面结构、内阻、电池容量、循环及安全性能等特性。性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。因为使用环境涉及高温、有机溶剂、机械压缩及拉伸，锂离子电池隔膜的使用性能要求极高，必须具有优异的尺寸稳定性、化学稳定性、耐压缩能力、耐穿刺性能、高拉伸强度等。聚烯烃锂离子电池隔膜一般采用聚乙烯或聚丙烯材质，以单向或双向拉神获得微孔。由于分子链在较高程度下被拉伸取向，导致其双向拉伸强度断裂伸长率往往分布不均匀，受力时易应力集中，断裂伸长率过低、耐穿刺强度低、穿刺后形变小易直接破坏。如何提高锂离子电池隔膜在各个方向上的断裂伸长率、提高穿刺强度及穿刺形变率，是提高锂离子电池隔膜安全性能和使用性能的重要方向。
为了提高上述性能，以往专利和文献中往往采用将聚烯烃隔膜与其它材质微孔膜进行复合的方式实现。例如，CN102751460提出了将聚烯烃隔膜与聚苯硫醚微孔膜通过干式复合以提高其耐热性能和力学性能的方法；CN104409674公开了一种将无机层和多孔聚合物层组成的复合隔膜，通过将无机层和多孔聚合物层进行复合以提高隔膜机械性能的方法。这些专利的缺点是工艺繁琐复杂、成本高，且引入的新组分本身就加工制造成本昂贵或者难以加工，且难以保证隔膜最重要的一致性和均匀性，从经济性和技术性方面均难以保证其应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有的提高隔膜机械性能的方法经济性与技术性差的不足，本发明提供了一种提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，通过用低分子寡聚物及小分子物质对隔膜进行处理，进而提高隔膜断裂伸长率、耐穿刺性能，同时保持其透过性能、孔隙率基本不变。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，该检测方法包括以下步骤：
(1)将锂离子离子电池隔膜在25-100℃下，与低分子量寡聚物或小分子物质进行共混处理，处理时间为5-600s，处理压力为0.1-100Pa；
(2)将未溶胀进入锂离子离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或有机小分子物质除去，除去作业的处理温度为25-100℃，处理时间5-60s。
具体地，所述锂电子电池隔膜与低分子量寡聚物或小分子物质进行共混处理的方式为浸没或者表面浸渍。
具体地，所述低分子量寡聚物或有机小分子物质为矿物油、石蜡油、PEG、十氢化萘、乙醇胺MEA、氨基乙酸甲酯、氢化石油树脂其中的一种或多种。
具体地，所述将未溶胀进入锂离子离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质或其混合物除去的方式为溶剂淋洗或浸泡。
具体地，所述溶剂淋洗方式使用的溶剂为正己烷、丙酮、二甲苯、甲苯、乙二醇、丙二醇、甘正烷烃、异丙醇、丙醇、纯水、乙醇的一种或多种。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，通过用低分子寡聚物及小分子物质对隔膜进行处理，进而提高隔膜断裂伸长率、耐穿刺性能，同时保持其透过性能、孔隙率基本不变。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的实施例1中干法单拉锂离子电池隔膜在处理前后MD方向的应力-应变曲线图；
图2是本发明的实施例1中干法单拉锂离子电池隔膜在处理前后TD方向的应力-应变曲线图；
图3实施例1中干法单拉锂离子电池隔膜在进行耐刺穿实验时的力-位移曲线图；
具体实施方式
图1是本发明的实施例1中干法单拉锂离子电池隔膜在处理前后MD方向的应力-应变曲线图，图2是本发明的实施例1中干法单拉锂离子电池隔膜在处理
前后TD方向的应力-应变曲线图，图3实施例1中干法单拉锂离子电池隔
膜在进行耐刺穿实验时的力-位移曲线图
聚烯烃隔膜的耐穿刺性能、断裂伸长率有限，是影响其使用性能、安全性能的重大问题。本制备方法的核心思路是直接对现有市售聚烯烃锂离子电池隔膜进行后处理，从而显著提高其在各个方向上的断裂伸长率，以及提高耐穿刺强度、耐穿刺形变率。在一定的操作温度、操作压力下，将与聚烯烃相容性好的小分子或低分子量寡聚体或二者的混合物与之共混，使其进入隔膜聚烯烃分子链骨架中，在受力破坏时，就可以阻碍缺陷的形成或进一步扩大，从而显著改善隔膜的断裂伸长率和耐刺穿强度。
(1)将锂离子离子电池隔膜在25-100℃下，通过浸没或者表面浸渍的方式进行处理，处理时间为5-600s，处理压力为0.1-100Pa。所述低分子量寡聚物或小分子物质为矿物油、石蜡油、PEG、十氢化萘、乙醇胺MEA、氨基乙酸甲酯、氢化石油树脂其中的一种或多种。
(2)使用溶剂淋洗或浸泡的方式，将未溶胀进入隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质或其混合物除去。所述溶剂为正己烷、丙酮、二甲苯、甲苯、乙二醇、丙二醇、甘正烷烃、异丙醇、丙醇、纯水、乙醇的一种或几种的组合，处理温度为25-100℃，处理时间5-60s。
(3)聚烯烃隔膜与低分子量寡聚物及有机小分子之间的相互作用参数直接决定了它们在聚烯烃隔膜中的溶胀过程，及隔膜的最终性能。根据Flory-Huggins模型，相互作用参数χab反映了溶剂分子和高分子链单体混合时相互作用的大小，是判定溶剂或低分子量寡聚物对聚烯烃高分子的溶胀溶解性能的一个非常重要的判断依据。相互作用参数χab通常来源于实验，可以通过渗透压法、蒸气压法、反相色谱法等实验方法测得。
根据正规溶液理论，任何具有确定分子结构的有机分子均可以用溶度参数法近似计算出分子间的相互作用参数χab。其中，聚合物与低分子量寡聚物或有机小分子间的相互作用参数可近似利用下式计算：
其中，δa和δb分别是聚合物与低分子量寡聚物或有机小分子的溶度参数，Vref是参考体积，采用低分子量寡聚物或有机小分子的摩尔体积。低分子量寡聚物或有机小分子的摩尔体积根据其真实密度通过换算得到。
结合附图1、附图2和附图3所示：
实施例1
(1)将聚丙烯材质、利用干法单拉工艺制备的锂离子电池隔膜在100℃下，与矿物油/石蜡油/PEG混合物(三者质量比为1:1:1)进行共混处理，处理时间为5s，处理压力为0.1Pa；
(2)使用水/乙醇混合溶液(二者质量比1:1)浸泡的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为25℃，处理时间30s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的78.4％和14.5％显著提升至155.2％和46.6％，耐穿刺力从处理前的1.6N提升至2.6N，同时，孔隙率几乎保持不变。
实施例2
(1)将聚丙烯材质、利用干法单拉工艺制备的锂离子电池隔膜在80℃下，与十氢化萘/氢化石油树脂(二者质量比为1:1)进行共混处理，处理时间为10s，处理压力为100Pa；
(2)使用甲苯淋洗的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为25℃，处理时间5s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的78.4％和14.5％显著提升至158.2％和64.4％，耐穿刺力从处理前的1.6N提升至2.8N，同时，孔隙率几乎保持不变。
实施例3
(1)将聚丙烯材质、利用干法单拉工艺制备的锂离子电池隔膜在25℃下，与矿物油/氨基乙酸甲酯(二者质量比为1:1)进行共混处理，处理时间为60s，处理压力为30Pa；
(2)使用正己烷浸泡的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为40℃，处理时间60s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的78.4％和14.5％显著提升至133.2％和39.6％，耐穿刺力从处理前的1.6N提升至2.9N，同时，孔隙率几乎保持不变。
实施例4
(1)将聚丙烯材质、利用干法双拉工艺制备的锂离子电池隔膜在50℃下，与矿物油/PEG混合物(二者质量比为1:1)进行共混处理，处理时间为30s，处理压力为10Pa；
(2)使用乙醇/正己烷(二者质量比1:1)淋洗的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为50℃，处理时间50s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的134.4％和124.6％显著提升至184.6％和194.5％，耐穿刺力从处理前的1.9N提升至3.1N，同时，孔隙率几乎保持不变。
实施例5
(1)将聚丙烯材质、利用干法双拉工艺制备的锂离子电池隔膜在25℃下，与乙醇胺/MEA混合物(二者质量比为1:1)进行共混处理，处理时间为50s，处理压力为1Pa；
(2)使用水淋洗的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为100℃，处理时间5s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的134.4％和124.6％显著提升至216.6％和225.5％，耐穿刺力从处理前的1.9N提升至2.9N，同时，孔隙率几乎保持不变。
实施例6
(1)将聚乙烯材质、利用湿法工艺制备的锂离子电池隔膜在50℃下，与石蜡油进行共混处理，处理时间为40s，处理压力为0.5Pa；
(2)使用二甲苯浸泡的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为40℃，处理时间10s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的190.6％和221.1％显著提升至290.1％和281.4％，耐穿刺力从处理前的2.2N提升至2.8N，同时，孔隙率几乎保持不变。
实施例7
(1)将聚乙烯材质、利用湿法工艺制备的锂离子电池隔膜在80℃下，与矿物油进行共混处理，处理时间为20s，处理压力为30Pa；
(2)使用甲苯浸泡的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为25℃，处理时间50s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的190.6％和221.1％显著提升至311.2％和298.4％，耐穿刺力从处理前的2.2N提升至3.1N，同时，孔隙率几乎保持不变。
实施例8
(1)将聚乙烯材质、利用湿法工艺制备的锂离子电池隔膜在80℃下，与氨基乙酸甲酯/氢化石油树脂(二者质量比为1:1)进行共混处理，处理时间为5s，处理压力为100Pa；
(2)使用正己烷浸泡的方式，将未溶胀进入锂离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质除去，除去作业的处理温度为30℃，处理时间30s。
经过上述处理，经实验测得，聚丙烯材质干法单拉锂离子电池隔膜在MD方向和TD方向的断裂伸长率分别从处理前的190.6％和221.1％显著提升至305.8％和307.3％，耐穿刺力从处理前的2.2N提升至3.3N，同时，孔隙率几乎保持不变。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
(1)将锂离子离子电池隔膜在25-100℃下，与低分子量寡聚物或小分子物质进行共混处理，处理时间为5-600s，处理压力为0.1-100Pa；
(2)将未溶胀进入锂离子离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或有机小分子物质除去，除去作业的处理温度为25-100℃，处理时间5-60s。
2.根据权利要求1所述的提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，其特征在于：所述锂电子电池隔膜与低分子量寡聚物或小分子物质进行共混处理的方式为浸没或者表面浸渍。
3.根据权利要求1所述的提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，其特征在于：所述低分子量寡聚物或有机小分子物质为矿物油、石蜡油、PEG、十氢化萘、乙醇胺MEA、氨基乙酸甲酯、氢化石油树脂其中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，其特征在于：所述将未溶胀进入锂离子离子电池隔膜分子链内部的多余低分子寡聚物或小分子物质或其混合物除去的方式为溶剂淋洗或浸泡。
5.根据权利要求4所述的提高断裂伸长率和耐穿刺性能的隔膜材料的制备方法，其特征在于：所述溶剂淋洗方式使用的溶剂为正己烷、丙酮、二甲苯、甲苯、乙二醇、丙二醇、甘正烷烃、异丙醇、丙醇、纯水、乙醇的一种或多种。
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