CN109873108A - 一种锂离子电池阻燃隔膜及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池阻燃隔膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池阻燃隔膜及其制备方法，所述阻燃隔膜为静电纺丝纤维膜，静电纺丝纤维膜中包含质量百分比为5‑40％的微胶囊阻燃剂。在过充、挤压、针刺过程中可以阻止电解液燃烧、降低电池爆炸的风险。采用微胶囊阻燃添加剂相比常规阻燃剂可以明显提高电化学性能。在过充、挤压、针刺过程中可以阻止电解液燃烧、降低电池爆炸的风险。

Description

一种锂离子电池阻燃隔膜及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池阻燃隔膜及其制备方法。
背景技术
锂离子电池作为一种绿色环保电池，具有高能量密度、高工作电压、高安全性能和长使用寿命等优点，锂离子电池在进行安全测试，如过充，挤压、针刺过程中极易发生短路产生电火花而引燃电解液发生爆炸，存在很大的安全隐患。同时常规阻燃添加剂对电池性能的劣化很严重，因此既能阻燃又不影响电性能的研究尤为重要。
微胶囊阻燃剂是以阻燃添加剂为内芯，高分子聚合物为外壁材料，包覆形成胶囊状，若将微胶囊直接涂覆在隔膜上，会占用较大的空间，相对而言，会降低电池的能量密度。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提供一种锂离子电池阻燃隔膜及其制备方法，目的是保证电池阻燃性能，同时提升空间利用率。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种锂离子电池阻燃隔膜，所述阻燃隔膜为静电纺丝纤维膜，静电纺丝纤维膜中包含质量百分比为5-40％的微胶囊阻燃剂。
所述微胶囊阻燃剂包括质量比为1:1的外壁材和阻燃添加剂。
所述外壁材为聚酰胺、聚脲、明胶、阿拉伯胶和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种组合，所述阻燃添加剂为磷酸三甲酯、磷酸三苯酯、1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-三氟甲基戊烷、甲基全氟丁基醚、甲基全氟异丁基醚、三(2，2，2-三氟乙基)亚磷酸酯中的一种或多种组合，以上试剂在常见的试剂网(如阿拉丁、国药、麦克林、阿里巴巴等)上均可购买到。
所述静电纺丝膜的厚度为20-50微米。
所述微胶囊阻燃剂的外壁材熔点为80-200℃。
本发明还提供所述锂离子电池阻燃隔膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将外壁材和阻燃添加剂以质量比1:1溶于二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶液中，以形成静电纺丝液；
步骤二、采用所述静电纺丝液进行静电纺丝以制备静电纺丝纤维膜。
所述静电纺丝液中外壁材和阻燃添加剂的质量比为5-40％。
所述静电纺丝的参数为：电压10～13kV，纺丝距离5～15cm，流速为1～5mL/h。
所述静电纺丝纤维膜为网状纤维结构。
本发明的有益效果：采用微胶囊阻燃添加剂相比常规阻燃剂可以明显提高电化学性能。在过充、挤压、针刺过程中可以阻止电解液燃烧、降低电池爆炸的风险。制得的静电纺丝纤维膜，具有较好的弯曲性，柔韧性较好，替代普通隔膜，所占用空间相对较小，相对而言，能在一定程度上提升电池的能量密度。电池在进行安全测试时达到80-200℃时微胶囊壁材受热破裂释放出阻燃添加剂，同时整个网状纤维结构完整性保持不变，从而保证电解液在测试过程中不会燃烧，保证电池安全性能。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是本发明静电纺丝纤维膜的SEM图；
图2是高温下微胶囊阻燃剂未释放阻燃剂前的示意图；
图3是高温下微胶囊阻燃剂释放阻燃剂后的示意图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
本发明提供一种锂离子电池阻燃隔膜，阻燃隔膜为静电纺丝纤维膜，静电纺丝纤维膜中包含质量百分比为5-40％的微胶囊阻燃剂。采用此静电纺丝限位膜代替常规的电池隔膜使用，在过充、挤压或针刺时胶囊破裂，阻止电解液燃烧，从而降低风险。下面通过优选的实施例进行详细说明：
实施例1
一种锂离子电池阻燃隔膜，阻燃隔膜为静电纺丝纤维膜，静电纺丝纤维膜中包含质量百分比为5％的微胶囊阻燃剂。
该静电纺丝纤维膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一、将聚酰胺与磷酸三苯酯以质量比1:1溶于二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶液中，以形成静电纺丝液，聚酰胺与磷酸三苯酯在静电纺丝液中的质量比为5％。
步骤二、在室温下用带有21-G的平头针头的医用注射器在强电场(10kV)下进行喷射，纺丝速度为2mL/h，纺丝接收距离5cm，平板接收装置接地，从而制备厚度为50微米的纤维网格结构的静电纺丝纤维膜。当电池在进行安全测试时达到80-200℃时微胶囊壁材受热破裂释放出阻燃添加剂，同时整个网状纤维结构完整性保持不变，从而保证电解液在测试过程中不会燃烧。
实施例2
一种锂离子电池阻燃隔膜，阻燃隔膜为静电纺丝纤维膜，静电纺丝纤维膜中包含质量百分比为20％的微胶囊阻燃剂。
该静电纺丝纤维膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一、将聚酰胺、聚脲、1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-三氟甲基戊烷及磷酸三苯酯溶于二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶液中，以形成静电纺丝液，聚酰胺与磷酸三苯酯在静电纺丝液中的质量比为20％。其中，聚酰胺和聚脲的总质量为A，1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-三氟甲基戊烷及磷酸三苯酯的总质量为B，A与B的质量比为1:1。
步骤二、在室温下用带有21-G的平头针头的医用注射器在强电场(12kV)下进行喷射，纺丝速度为3mL/h，纺丝接收距离10cm，平板接收装置接地，从而制备厚度为20微米的纤维网格结构的静电纺丝纤维膜。当电池在进行安全测试时达到80-200℃时微胶囊壁材受热破裂释放出阻燃添加剂，同时整个网状纤维结构完整性保持不变，从而保证电解液在测试过程中不会燃烧。
实施例3
一种锂离子电池阻燃隔膜，阻燃隔膜为静电纺丝纤维膜，静电纺丝纤维膜中包含质量百分比为40％的微胶囊阻燃剂。
该静电纺丝纤维膜的制备方法包括如下步骤：
步骤一、将聚酰胺、明胶、聚甲基丙烯酸甲酯、磷酸三甲酯及磷酸三苯酯溶于二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶液中，以形成静电纺丝液，聚酰胺与磷酸三苯酯在静电纺丝液中的质量比为40％。其中，聚酰胺、明胶和聚甲基丙烯酸甲酯的总质量为A，磷酸三甲酯及磷酸三苯酯的总质量为B，A与B的质量比为1:1。
步骤二、在室温下用带有21-G的平头针头的医用注射器在强电场(13kV)下进行喷射，纺丝速度为5mL/h，纺丝接收距离15cm，平板接收装置接地，从而制备厚度为30微米的纤维网格结构的静电纺丝纤维膜。当电池在进行安全测试时达到80-200℃时微胶囊壁材受热破裂释放出阻燃添加剂，同时整个网状纤维结构完整性保持不变，从而保证电解液在测试过程中不会燃烧。
实施例4
微胶囊阻燃剂包括外部壁材和包裹于外部壁材内的内部阻燃添加剂，外部壁材由聚酰胺、聚脲和明胶构成，内部阻燃添加剂由磷酸三甲酯、磷酸三苯酯和1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-三氟甲基戊烷构成。将微胶囊阻燃剂通过粘结剂涂覆于电池隔膜上，其中微胶囊阻燃剂在整体结构中的质量百分比为5％，当电池在进行安全测试时达到80-200℃时微胶囊壁材受热破裂释放出阻燃添加剂，从而保证电解液在测试过程中不会燃烧。
实施例5
微胶囊阻燃剂包括外部壁材和包裹于外部壁材内的内部阻燃添加剂，外部壁材由明胶、阿拉伯胶和聚甲基丙烯酸甲酯构成，内部阻燃添加剂由磷酸三甲酯、磷酸三苯酯、甲基全氟丁基醚、甲基全氟异丁基醚和三(2，2，2-三氟乙基)亚磷酸酯的一种或多种构成。将微胶囊阻燃剂通过粘结剂涂覆于电池隔膜上，其中微胶囊阻燃剂在整体结构中的质量百分比为5％，当电池在进行安全测试时达到80-200℃时微胶囊壁材受热破裂释放出阻燃添加剂，从而保证电解液在测试过程中不会燃烧。
耐火实验
选取微胶囊阻燃添加剂，按5％-40％质量百分比直接加入到电解液中，用明火持续点火30s以上无法点燃。
将上述5个实施例制备的电池阻燃隔膜应用于电池中，可以看出，实施例1-3制备的静电纺丝纤维膜作为电池阻燃隔膜，其在电池中占用的空间相对较小，相比实施例4和5，提高了空间的利用率，在保证阻燃性能的同时，能够提供更多的空间以提升电池能量密度。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池阻燃隔膜，其特征在于，所述阻燃隔膜为静电纺丝纤维膜，静电纺丝纤维膜中包含质量百分比为5-40％的微胶囊阻燃剂。
2.根据权利要求1所述锂离子电池阻燃隔膜，其特征在于，所述微胶囊阻燃剂包括质量比为1:1的外壁材和阻燃添加剂。
3.根据权利要求2所述锂离子电池阻燃隔膜，其特征在于，所述外壁材为聚酰胺、聚脲、明胶、阿拉伯胶和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种，所述阻燃添加剂为磷酸三甲酯、磷酸三苯酯、1,1,1,2,2,3,4,5,5,5-十氟-3-甲氧基-4-三氟甲基戊烷、甲基全氟代丁基醚、三(2，2，2-三氟乙基)亚磷酸酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述锂离子电池阻燃隔膜，其特征在于，所述静电纺丝膜的厚度为20-50微米。
5.根据权利要求1所述锂离子电池阻燃隔膜，其特征在于，所述微胶囊阻燃剂的外壁材熔点为80-200℃。
6.根据权利要求1-5任一项所述锂离子电池阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将外壁材和阻燃添加剂以质量比1:1溶于二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶液中，以形成静电纺丝液；
步骤二、采用所述静电纺丝液进行静电纺丝以制备静电纺丝纤维膜。
7.根据权利要求6所述锂离子电池阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述静电纺丝液中外壁材和阻燃添加剂的质量比为5-40％。
8.根据权利要求6所述锂离子电池阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝的参数为：电压10～13kV，纺丝距离5～15cm，流速为1～5mL/h。
9.根据权利要求6所述锂离子电池阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝纤维膜为网状纤维结构。
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