CN109494335B - 一种锂电池凝胶聚合物隔膜、制备方法和静电纺丝装置 - Google Patents

一种锂电池凝胶聚合物隔膜、制备方法和静电纺丝装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，隔膜的配方中，按照重量份数计，包括聚氧化乙烯71～80份，聚甲基丙烯酸甲脂18～21份，聚丙烯酰胺9～12份，六氟磷酸锂1～2份；1)将聚氧化乙烯制成溶液；2)在聚氧化乙烯溶液中加入聚甲基丙烯酸甲脂粉末和聚丙烯酰胺，采用搅拌机将其搅拌均匀；3)在混合溶液中加入六氟磷酸锂，采用搅拌机将其搅拌均匀；4)将混合溶液置入静电纺丝装置中，进行对角方向往复喷丝；而后继续下一次喷丝，使纤维具有5～8层；静电纺丝装置的工艺参数为：静电压18～25KV，喷射速度0.5～0.8ml/h，接收距离为30cm；5)将喷丝成型后的纤维在120℃下真空干燥48h后，即完成制备。其结构强度大且各向同性、吸液能力强、离子电导率高，制备方便快速。

Description

一种锂电池凝胶聚合物隔膜、制备方法和静电纺丝装置
技术领域
本发明涉及锂电池，具体涉及一种锂电池凝胶聚合物隔膜、制备方法和静电纺丝装置。
背景技术
锂离子电池的电芯主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液组成。其中隔膜是电芯的重要组成部分，它能够将电池正负极隔开，且有电子绝缘性和离子导电性。隔膜的性能决定了电池的界面结构、电解质的保持性和电池的内阻等，进而影响电池的容量，循环性能、充放电电流密度等关键特性。此外，隔膜对电池的安全性也有着较大的影响。所以，隔膜性能的优劣直接影响了电池的综合性能。一般聚氧化乙烯基的聚合物电解质具有优良的机械性能，但其较高的结晶度抑制了离子的迁移，且截流子数目较低，需要对其进行改性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种锂电池凝胶聚合物隔膜、制备方法和静电纺丝装置，其结构强度大且各向同性、吸液能力强、离子电导率高，制备方便快速。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，隔膜的配方中，按照重量份数计，包括
Figure BDA0001855072490000011
作为优选的，所述隔膜由多层通过静电纺丝获得的纤维重叠组成。
作为优选的，单层所述纤维的方向为连续交叠的与隔膜边缘呈45度夹角的方向。
作为优选的，所述纤维的直径为350nm～1100nm。
一种锂电池凝胶聚合物隔膜的制备方法，包括以下步骤：
1)将聚氧化乙烯制成溶液；
2)在聚氧化乙烯溶液中加入聚甲基丙烯酸甲脂粉末和聚丙烯酰胺，采用搅拌机将其搅拌均匀；
3)在混合溶液中加入六氟磷酸锂，采用搅拌机将其搅拌均匀；
4)将混合溶液置入静电纺丝装置中，进行顺序单向喷丝，即先进行其中一个对角方向往复喷丝，到达尽头后，再进行另外一个方向往复喷丝，直至回到起始点；而后继续下一次喷丝，使纤维具有5～8层；静电纺丝装置的工艺参数为：静电压18～25KV，喷射速度0.5～0.8ml/h，接收距离为30cm；
5)将喷丝成型后的纤维在120℃下真空干燥48h后，即完成制备。
一种锂电池凝胶聚合物隔膜的制备方法所用到的静电纺丝装置，包括喷丝泵、针筒、磁场板、电磁铁和接收板，所述针筒竖直设置在喷丝泵上，所述针筒外加有高压电源，所述接收板水平设置在针筒下方，所述磁场板设置在接收板下方，所述接收板上阵列设置有电磁铁，所述接收板接地。
作为优选的，所述横向驱动极片和纵向驱动极片相互垂直。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的锂电池凝胶聚合物隔膜，具有相同的各相拉伸强度，其能够在工况极为复杂的情况下，保持隔膜的机械强度，以提高电池的使用寿命。
2、本发明的锂电池凝胶聚合物隔膜避免了液体有机电解质的泄露情况，使其拥有了很强的可塑性和灵活性；且能够有效防止树枝状金属锂的生成，从而消除了电池内部短路的隐患。
3、本发明具有极高的孔隙率，其能够较好的吸收电池电解液，使锂电池的电阻极低；具有良好的离子电导率和放电比容量，使锂离子更容易通过电池隔膜，增加电池的功率。
4、本发明通过将聚氧化乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯酰胺和六氟磷酸锂混合，使其在纤维成丝时具有较高的强度；采用特定的静电压、喷射速度和接收距离，能够制造粗细均匀的纳米级纤维丝；通过呈45度角的往复喷丝，使纤维排布规则，使其各向的结构强度均匀，吸液能力。
5、本发明通过在针筒和接收板之间增加电压，使纤维丝更加容易的落到接收板上；通过在接收板上设置电磁铁，使纤维丝的落点可控，从而可以根据需要将纤维丝在横竖方向上堆叠，增加隔膜的结构强度和吸液能力。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其他的附图。
图1为锂电池凝胶聚合物隔膜的结构示意图；
图2为静电纺丝装置的结构示意图；
图3为磁场板的结构示意图。
其中，1-喷丝泵，2-针筒，3-磁场板，4-电磁铁，5-接收板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
实施例1中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表1中所示。
表1.实施例1的配方表
Figure BDA0001855072490000031
Figure BDA0001855072490000041
实施例2
实施例2中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表2中所示。
表2.实施例2的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 73
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例3
实施例3中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表3中所示。
表3.实施例3的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 75
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例4
实施例4中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表4中所示。
表4.实施例4的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 77
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例5
实施例5中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表5中所示。
表5.实施例5的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 79
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例6
实施例6中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表6中所示。
表6.实施例6的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 80
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例7
实施例7中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表7中所示。
表7.实施例7的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 71
聚甲基丙烯酸甲脂 19
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例8
实施例8中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表8中所示。
表8.实施例8的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 71
聚甲基丙烯酸甲脂 20
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例9
实施例9中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表9中所示。
表9.实施例9的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 71
聚甲基丙烯酸甲脂 21
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 1
实施例10
实施例10中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表10中所示。
表10.实施例10的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 71
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 10
六氟磷酸锂 1
实施例11
实施例11中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表11中所示。
表11.实施例11的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 71
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 11
六氟磷酸锂 1
实施例12
实施例12中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表12中所示。
表12.实施例12的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 71
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 12
六氟磷酸锂 1
实施例13
实施例13中公开了一种锂电池凝胶聚合物隔膜，按照份数重量计，其配方如表13中所示。
表13.实施例13的配方表
组分 含量(重量份数)
聚氧化乙烯 71
聚甲基丙烯酸甲脂 18
聚丙烯酰胺 9
六氟磷酸锂 2
上述实施例1～实施例13将聚氧化乙烯作为基团，通过加入共聚合物聚甲基丙烯酸甲脂和聚丙烯酰胺，能够降低聚氧化乙烯的结晶度，从而提高离子电导率。通过加入六氟磷酸锂，则大大提高了锂电池隔膜的离子电导率和放电比容量。
参照图1所示，锂电池凝胶聚合物隔膜的单层纤维方向为连续交叠的与隔膜边缘呈45度夹角的方向，多层纤维交叠在一起，即成为锂电池凝胶聚合物隔膜。其各向机械强度高且一致、离子电导率高、放电比容量高，具有优异的电化学稳定性和循环性能。
对上述实施例1～实施例13进行性能测试，能够得到表14。
1)各向拉伸强度：隔膜应具有良好的各向相同的力学性能，以长时间的维持锂电池的结构完整，延长电池的寿命。
2)孔隙率：隔膜的孔隙经直接影响膜的口吸液能力，孔隙率高则吸液能力强。
3)离子电导率：离子电导率是隔膜形成电荷的前提条件，有离子电导率才能保证电解液中的离子充分通过，形成所需要的电荷。电导率高才能实现通过大的电流的目标。
4)放电比容量：放电比容量是衡量锂电池放电效率的物理量。
表14.各实施例的性能对比
Figure BDA0001855072490000081
Figure BDA0001855072490000091
制备上述实施例1～实施例13中锂电池凝胶聚合物隔膜的制备方法为：
5)将聚氧化乙烯制成溶液；
6)在聚氧化乙烯溶液中加入聚甲基丙烯酸甲脂粉末和聚丙烯酰胺，采用搅拌机将其搅拌均匀；
7)在混合溶液中加入六氟磷酸锂，采用搅拌机将其搅拌均匀；
8)将混合溶液置入静电纺丝装置中，进行顺序单向喷丝，即先进行其中一个对角方向往复喷丝，到达尽头后，再进行另外一个方向往复喷丝，直至回到起始点；而后继续下一次喷丝，使纤维具有5～8层；静电纺丝装置的工艺参数为：静电压18～25KV，喷射速度0.5～0.8ml/h，接收距离为30cm；
9)将喷丝成型后的纤维在120℃下真空干燥48h后，即完成制备。
完成制备后的纤维直径约为350nm～1100nm。
参照图2～图3所示，上述静电纺丝装置，包括喷丝泵1、针筒2、磁场板3、电磁铁4和接收板5。针筒2竖直设置在喷丝泵1上。喷丝泵1能够驱动针筒2进行喷丝，同时控制针筒2的喷丝量。针筒2上外加有高压电源U1，其能够使针筒2内的溶液带电。接收板5水平放置，其接地。针筒2喷出的纤维丝能够在电场U1的作用下，落在接收板5上。磁场板3位于接收板5的底部。磁场板3上阵列设置有电磁铁4。电磁铁4在通以电流后，能够在接收板5的表面形成均匀的磁场。当需要改变纤维位置时，相应弱化对应位置处的磁场。其能够使纤维丝沿预定方向摆动，使纤维丝更加均匀可靠。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理能够在不脱离本发明的精神或范围的情况下，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点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种锂电池凝胶聚合物隔膜，其特征在于，隔膜的配方中，按照重量份数计，包括：
Figure FDA0002973774580000011
所述隔膜由多层通过静电纺丝获得的纤维重叠组成；
单层所述纤维的方向为连续交叠的与隔膜边缘呈45度夹角的方向。
2.如权利要求1所述的锂电池凝胶聚合物隔膜，其特征在于，所述纤维的直径为350nm-1100nm。
3.一种权利要求1-2任意一项所述的锂电池凝胶聚合物隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将聚氧化乙烯制成溶液；
2)在聚氧化乙烯溶液中加入聚甲基丙烯酸甲脂粉末和聚丙烯酰胺，采用搅拌机将其搅拌均匀；
3)在混合溶液中加入六氟磷酸锂，采用搅拌机将其搅拌均匀；
4)将混合溶液置入静电纺丝装置中，进行顺序单向喷丝，即先进行其中一个对角方向往复喷丝，到达尽头后，再进行另外一个方向往复喷丝，直至回到起始点；而后继续下一次喷丝，使纤维具有5-8层；静电纺丝装置的工艺参数为：静电压18-25KV，喷射速度0.5-0.8ml/h，接收距离为30cm；
5)将喷丝成型后的纤维在120℃下真空干燥48h后，即完成制备。
4.一种权利要求3所述的锂电池凝胶聚合物隔膜的制备方法所用到的静电纺丝装置，其特征在于，包括喷丝泵、针筒、磁场板、电磁铁和接收板，所述针筒竖直设置在喷丝泵上，所述针筒外加有高压电源，所述接收板水平设置在针筒下方，所述磁场板设置在接收板下方，所述接收板上阵列设置有电磁铁，所述接收板接地。
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