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Abstract

本发明涉及一种锂电池隔膜及其制备，所述锂电池隔膜由包括超高分子量聚乙烯和细菌纤维素的复合纤维结构交织缠绕而成，所述复合纤维结构由冻胶纺丝制备，直径为500nm‑3um,本发明锂电池隔膜厚度为16‑50um，孔隙率为50‑80％，电解液吸收率为100‑1000％，拉伸强度高，安全性好，能用于汽车锂电池，满足对车用锂电池隔膜高稳定性、高安全性和优异使用寿命的要求。

Description

一种锂电池隔膜及其制备
技术领域
本发明涉及膜材料技术领域，更具体地，涉及一种锂电池隔膜及其制备。
背景技术
锂离子电池具有重量轻、储能大、功率大、无污染等特点，在各个领域的应用也越来越广泛，它的研究和生产都取得了很大的进展，锂离子电池在电动车上作为动力能源，成为了电动车发展的一个新趋势。作为车用锂电池，需要有更优异的性能，具有更好的高温稳定性，额定输出功率和循环充电次数，因此，更多的功能材料被应用到车用锂电池隔膜的制备过程中。
超高分子量聚乙烯是一种高强度的材料，强度高达30.8cN/dtex，比强度是化纤中最高的，这种强度使之成为车用锂电池隔膜的理想材料，但是超高分子量聚乙烯锂离子电池隔膜存在孔隙率低、亲水性差等问题，直接影响到锂电池的充放电容量和循环性。
现有专利CN102627796B公开了一种用于制造锂电池隔膜的聚乙烯组合物，其中的聚乙烯材料由超高分子量聚乙烯树脂和高密度聚乙烯树脂组成，降低了隔膜的厚度，增加了抗穿刺强度和拉伸强度，但是在孔隙率和亲水性上并没有改进。
发明内容
鉴于现有技术情况，为解决现有技术的不足，本发明提供了一种强度高，孔隙率高和强度好的锂电池隔膜，采用如下技术方案：
一种锂电池隔膜，所述锂电池隔膜由复合纤维材料缠绕交织而成，所述复合纤维材料包括以下质量份的组分制备而成：
进一步的，所述超高分子量聚乙烯纤维的分子量为1×106-6×106g/mo。
进一步的，所述溶剂选自十氢萘、石蜡油和煤油中的一种或多种。
进一步的，所述阻燃剂选自氢氧化镁或氢氧化铝。
进一步的，所述填充剂为纳米二氧化硅或纳米三氧化二铝。
进一步的，所述佐剂包括抗氧剂、流动改性剂和成核剂。
进一步的，所述锂电池隔膜的厚度为16-50um，所述复合纤维直径为500nm-3um，孔隙率为50-80％，电解液吸收率为100-1000％。
进一步的，所述锂电池隔膜的应用包括用于车用锂电池。
一种上述锂电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)纺丝原液的制备：将溶液加热后，加入超高分子量聚乙烯和细菌纤维素，加热到 120-150℃，搅拌并乳化，再依次加入阻燃剂、填充剂和佐剂，搅拌乳化均匀；
(2)冻胶纺丝的制备：将由步骤(1)所得的混合物加入到双螺杆纺丝机内，加热到250-300℃，融熔并且搅拌均匀，经过纺丝组件喷出纺丝，经过循环水冷却形成冻胶纺丝；
(3)冻胶纺丝的拉伸和萃取：将制备好的冻胶纺丝冷拉伸后，超声波下萃取，然后负压低温干燥，干燥温度为40-60摄氏度；
(4)热拉伸：加热，保持温度在100-160℃，拉伸5-8倍，然后收卷备用。
其中，所述萃取剂选自三氯三氟乙烷、葵烷、汽油中的一种或多种，所述双螺杆纺丝机的纺丝组件的喷嘴密度为不少于8个/cm2。
一种应用上述锂电池隔膜的车用锂电池，包括正极极片、负极极片，上述锂电池隔膜和电解质。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、超高分子量聚乙烯作为锂电池隔膜材料具有化学稳定性好，耐腐蚀，强度高，不易发生收缩而导致的正负极短路，而且热封闭温度低，细菌纤维素作为隔膜具有三维网状多孔结构，吸液率高，在高温状态下具有稳定的尺寸，而且作为可再生的材料，具有环境友好性，但是作为一种新型材料，工业化生产效率不高，本发明使用细菌纤维素和超高分子量聚乙烯复合，使用冻胶纺丝制备工艺，结合超高分子量聚乙烯和细菌纤维素的优点，实现工业化生产，制备具有孔隙率高，吸液性好，而且强度高，安全性好的锂电池隔膜，能用于汽车锂电池，满足对车用锂电池隔膜高稳定性、高安全性和优异使用寿命的要求。
2、本发明添加无机阻燃剂氢氧化镁或者氢氧化铝，具有良好的化学稳定性，在此重量范围内具有最佳的效果，超过此范围，增加复合纤维结构的脆性，少于此范围，则会影响阻燃效果。
3、本发明添加纳米二氧化硅和纳米三氧化二铝作为填充剂，增加锂电池隔膜的强度，经过筛选，在此范围内具有最佳效果，填充剂选用纳米尺寸，防止在纺丝过程中影响纺出速度，堵塞喷嘴；经过筛选，在此范围内使得填充剂既可以增加强度，有不影响纺丝制备过程。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步详细介绍，但本具体实施例仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员可根据需要对本实施例作出没有创造性的修改，但只要在本发明的权利要求范围内，都受到专利法的保护。
实施例：
一种锂电池隔膜，所述锂电池隔膜由复合纤维材料缠绕交织而成，所述复合纤维材料包括超高分子量聚乙烯、细菌纤维素、溶剂、阻燃剂、填充剂和佐剂等材料制备。
其中，所述超高分子量聚乙烯纤维的分子量为1×106-6×106g/mol，所述溶剂选自十氢萘、石蜡油和煤油中的一种或多种，所述阻燃剂选自氢氧化镁或氢氧化铝，所述填充剂为纳米二氧化硅或纳米三氧化二铝，所述佐剂包括抗氧剂、流动改性剂和成核剂，在此质量份数范围内的任意配比对本发明技术效果无影响，具体实施例的成分和重量份数如下表1所示。
所述锂电池隔膜的厚度为16-50um，所述复合纤维直径为500nm-3um，孔隙率为50-80％，电解液吸收率为100-1000％。
所述锂电池隔膜的应用包括用于车用锂电池。
一种上述锂电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)纺丝原液的制备：将溶液加热后，加入超高分子量聚乙烯和细菌纤维素，加热到 120-150℃，搅拌并乳化，再依次加入阻燃剂、填充剂和佐剂，搅拌乳化均匀；
(2)冻胶纺丝的制备：将由步骤(1)所得的混合物加入到双螺杆纺丝机内，加热到250-300℃，融熔并且搅拌均匀，经过纺丝组件喷出纺丝，经过循环水冷却形成冻胶纺丝；
(3)冻胶纺丝的拉伸和萃取：将制备好的冻胶纺丝冷拉伸后，超声波下萃取，然后负压低温干燥，干燥温度为40-60摄氏度；
(4)热拉伸：加热，保持温度在100-160℃，拉伸5-8倍，然后收卷备用。
其中，所述萃取剂选自三氯三氟乙烷、葵烷、汽油中的一种或多种，所述双螺杆纺丝机的纺丝组件的喷嘴密度为不少于8个/cm2。
在上述的各反应步骤的反应温度和时间范围内，反应温度和时间，以及萃取剂的选择对产品的性质无影响。
实施例1至实施例7为通过上述制备工艺制备而成的锂电池隔膜，其中各物质组分和含量不同，详见表1，对比例1至对比例3制备工艺与实施例相同，但是组分的种类和质量份数与实施例不同，具体组分和质量份数如表2所示，其中UHMWPE为超高分子量聚乙烯， BC为细菌纤维素，nano-SiO2为纳米二氧化硅，nano-Al2O3为纳米三氧化二铝。
表1：实施例1-实施例7锂电池隔膜各组分重量份数(份)
表2：对比例1-对比例3锂电池隔膜各组分重量份数(份)
对比例1 对比例2 对比例3
UHMWPE 100 100 100
UHMWPE(分子量) 3×10<sup>6</sup> 2×10<sup>6</sup> 3×10<sup>6</sup>
BC 0 50 24
溶剂 十氢萘30 石蜡油30 煤油5
阻燃剂 氢氧化镁1 氢氧化镁3 0
填充剂 nano-SiO<sub>2</sub>1 nano-SiO<sub>2</sub>3 0
佐剂 0.1 0.3 0
实施例和对比例的锂电池隔膜的基本性能参数如下表3所述，其中热收缩率为90℃下放置1h的收缩率。
表3:实施例和对比例的锂电池隔膜的基本性能参数。
由表3所示，细菌纤维素含量的过多或者过少，都会影响锂电池隔膜的热收缩率和纵向拉伸强度，填充剂对锂电池隔膜的热收缩率和纵向拉伸强度也有一定的影响。
本发明整体性质优异，具有较高的孔隙率和吸水量，较低的热收缩率和较高的纵向拉伸强度，能满足车用锂电池的性能要求。

Claims (9)

1.一种锂电池隔膜，其特征在于，所述锂电池隔膜由复合纤维材料缠绕交织而成，所述复合纤维材料包括以下质量份的组分制备而成：
2.根据权利要求1所述的锂电池隔膜，其特征在于，所述超高分子量聚乙烯纤维的分子量为1×106-6×106g/mol。
3.根据权利要求1所述的锂电池隔膜，其特征在于，所述溶剂选自十氢萘、石蜡油和煤油中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的锂电池隔膜，其特征在于，所述阻燃剂选自氢氧化镁或氢氧化铝。
5.根据权利要求1所述的锂电池隔膜，其特征在于，所述填充剂为纳米二氧化硅或纳米三氧化二铝。
6.根据权利要求1所述的锂电池隔膜，其特征在于，所述佐剂包括抗氧剂、流动改性剂和成核剂。
7.根据权利要求1所述的锂电池隔膜，其特征在于，所述锂电池隔膜的厚度为16-50um，所述复合纤维直径为500nm-3um,孔隙率为50-80％，电解液吸收率为100-1000％。
8.根据权利要求1所述的锂电池隔膜，其特征在于，所述锂电池隔膜的应用包括用于车用锂电池。
9.一种权利要求1至8任一项所述锂电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)纺丝原液的制备：将溶液加热后，加入超高分子量聚乙烯和细菌纤维素，加热到120-150℃，搅拌并乳化，再依次加入阻燃剂、填充剂和佐剂，搅拌乳化均匀；
(2)冻胶纺丝的制备：将由步骤(1)所得的混合物加入到双螺杆纺丝机内，加热到250-300℃，融熔并且搅拌均匀，经过纺丝组件喷出纺丝，经过循环水冷却形成冻胶纺丝；
(3)冻胶纺丝的拉伸和萃取：将制备好的冻胶纺丝冷拉伸后，超声波下萃取，然后负压低温干燥，干燥温度为40-60摄氏度；
(4)热拉伸：加热，保持温度在100-160℃，拉伸5-8倍，然后收卷备用。
其中，所述萃取剂选自三氯三氟乙烷、葵烷、汽油中的一种或多种，所述双螺杆纺丝机的纺丝组件的喷嘴密度为不少于6个/cm2。
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