CN110176569A - 一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜 - Google Patents

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吕仪
鞠敬鸽
程博闻
邓南平
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Abstract

本发明涉及一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，其特征在于，该隔膜用微米无机氧化铝纤维提供强力，纳米无机氧化铝纤维提供高比表面积，并以少量芳纶沉析纤维作为粘结纤维，经湿法成网及热压熔融加固而成，本发明所制备的无机氧化铝纤维电池隔膜比表面积大、强力高、柔性好、耐高温性好，并具有优异的阻燃性能。

Description

一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜
技术领域
本发明涉及一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜。
背景技术
随着化石能源的减少，能量储存和转换装置将在未来发挥越来越大的作用。锂离子电池由于它们的高能量密度，长的循环寿命和低的自放电率成为最具吸引力的储能元件之一。然而，仍然存在一些问题制约着锂离子电池的发展。电动汽车和长期储能装置的发展对电池的高倍率性能、长期稳定性和高温性能提出了更高的要求。
电池隔膜在锂离子电池实现高功率以及安全性方面起着至关重要的作用，隔膜置于正负极之间不仅防止由电极之间的物理接触而造成的短路现象，而且能够保留液体电解质，允许锂离子在电池内自由移动。传统的聚烯烃隔膜因其具有较高的机械性能和化学稳定性已经被广泛的应用于商业用途，但是，这些有机材料通常熔点低，它们在高温下会发生明显的尺寸变化，造成安全性问题。
为了克服电池隔膜不耐高温的问题，其中一个有效地方法就是利用无机材料提高其热稳定性以及亲液性，从而改善储能元件的电化学性能。例如，Xiang等人(Xiang H，ChenJ，Li Z，et al.An inorganic membrane as a separator for lithium-ion battery[J].Journal of Power Sources，2011，196(20)：8651-8655.)利用双烧结的工艺制备了用于锂离子电池的氧化铝无机隔膜，将氧化铝纳米粒子与致孔剂乙二胺四乙酸(EDTA)混合，在空气氛围中，加压至10MPa后，1000℃下烧结5h，再次在1500℃下烧结5h得到最终的无机隔膜。Chen等人(Chen J J，Wang S Q，Cai D D，et al.Porous SiO2 as a separator toimprove the electrochemical performance of spinel LiMn2O4 cathode[J].Journalof Membrane Science，2014，449：169-175.)采用简单的加压烧结方法在空气氛围下，将混合均匀后的二氧化硅粒子和致孔剂EDTA加压至35MPa后，1250℃下烧结5h得到二氧化硅隔膜应用于锂离子电池。烧结工艺制备的锂离子电池无机隔膜具有优异的热稳定性以及亲液性，但是柔韧性较差，强度较低。Shi等人(Shi C，Zhu J，Shen X，et al.Flexibleinorganic membranes used as a high thermal safety separator for the lithium-ion battery[J].RSC Advances，2018，8(8)：4072-4077.)利用静电纺丝技术制备了聚乙烯醇(PVA)和硅酸盐复合膜，经过煅烧有机PVA组分，得到SiO2无机隔膜。静电纺丝制备SiO2无机隔膜的柔性得到了一定的改善，但是其机械强度较低，并且制备工艺效率有待提高。因此，具有良好的柔性，较高的强力且可量产的阻燃无机纤维电池隔膜还有待开发。
发明内容
本发明的目的是提供一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，其特征在于，该隔膜由微纳米级氧化铝纤维和少量芳纶沉析纤维混合而成，其中，微米无机氧化铝纳米纤维提供强力，纳米无机氧化铝纤维提供高比表面积，少量芳纶沉析纤维作为粘结纤维。
所述无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜的厚度为30μm-70μm，孔隙率为60％-85％。
所述微米氧化铝纤维的直径为500nm-2μm，所述纳米氧化铝纤维的直径为200nm-800nm。
所述无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜的制备包括如下步骤
(1)将所述的微纳米氧化铝纤维与芳纶沉析纤维混合于水和异丙醇的混合液中打浆形成分散均匀的悬浮液；
(2)将混合均匀的悬浮液注入纸片成型器，形成分散均匀的微纳米氧化铝纤维膜，烘干得到厚度为100μm-150μm的隔膜；
(3)采用热压的方式，在180℃-240℃，5MPa-15MPa的条件下热定型，使芳纶沉析纤维熔融起加固作用，得到无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，该隔膜的厚度为30μm-70μm。
微米氧化铝纤维、纳米氧化铝纤维以质量比25∶75-50∶50混合，然后微纳米氧化铝纤维与芳纶沉析纤维以质量比97∶03-80∶20进行混合。
本发明的无机氧化铝纤维电池隔膜比表面积大、强力高、耐高温性好，并具有优异的阻燃性。
图文简单描述
图1是制备一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜的原理图
图2是无机微米氧化铝纤维扫描电镜图片
图3是无机纳米氧化铝纤维扫描电镜图片
图4是一种芳纶沉析纤维扫描电镜图片
图5是一种经过240℃，12MPa热压处理的无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜扫描电镜图片
具体实施方式
实施例1
微米氧化铝纤维与纳米氧化铝纤维按质量比1∶1称量，并加入3wt％芳纶沉析纤维与微纳米氧化铝纤维混合，然后加入到蒸馏水和异丙醇(1∶1)的混合溶液，经过机械打浆后，得到混合均匀的悬浮液，将此悬浮液倒入纸片成型器中沉积成膜，在12MPa的条件下加热至240℃，使芳纶沉析纤维热熔加固复合膜，得到无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜。其具有阻燃特性，离子电导率高达2.05×10-3S/cm，组装成锂离子电池进行测试，其比容量为164mAh/g，100次循环后容量保持率是89.5％。
实施例2
微米氧化铝纤维与纳米氧化铝纤维按质量比1∶1称量，并加入5wt％芳纶沉析纤维与微纳米氧化铝纤维混合，然后加入到蒸馏水和异丙醇(1∶1)的混合溶液，经过机械打浆后，得到混合均匀的悬浮液，将此悬浮液倒入纸片成型器中沉积成膜，在12MPa的条件下加热至240℃，使芳纶沉析纤维热熔加固复合膜，得到无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜。其具有阻燃特性，离子电导率高达1.84×10-3S/cm，组装成锂离子电池进行测试，其比容量为152mAh/g，100次循环后容量保持率是87.3％。
实施例3
微米氧化铝纤维与纳米氧化铝纤维按质量比1∶1称量，并加入7wt％芳纶沉析纤维与微纳米氧化铝纤维混合，然后加入到蒸馏水和异丙醇(1∶1)的混合溶液，经过机械打浆后，得到混合均匀的悬浮液，将此悬浮液倒入纸片成型器中沉积成膜，在12MPa的条件下加热至240℃，使芳纶沉析纤维热熔加固复合膜，得到无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜。其具有阻燃特性，离子电导率高达1.62×10-3S/cm，组装成锂离子电池进行测试，其比容量为148mAh/g，100次循环后容量保持率是82.6％。

Claims (5)

1.一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，其特征在于，该隔膜由微纳米级氧化铝纤维和少量芳纶沉析纤维混合而成，其中，微米无机氧化铝纳米纤维提供强力，纳米无机氧化铝纤维提供高比表面积，少量芳纶沉析纤维作为粘结纤维。
2.如权利要求1所述的一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，其特征在于，所述无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜的厚度为30μm-70μm，孔隙率为60％-85％。
3.如权利要求1所述的一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，其特征在于，所述微米氧化铝纤维的直径为500nm-2μm，纳米氧化铝纤维的直径为200nm-800nm。
4.如权利要求1所述的一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，其特征在于，所述无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜的制备包括如下步骤：
(1)将所述的微纳米氧化铝纤维与芳纶沉析纤维混合于水和异丙醇的混合液中打浆形成分散均匀的悬浮液；
(2)将混合均匀的悬浮液注入纸片成型器，形成分散均匀的微纳米氧化铝纤维膜，烘干得到厚度为100μm-150μm的隔膜；
(3)采用热压的方式，在180℃-240℃，5MPa-15MPa的条件下热定型，使芳纶沉析纤维熔融起加固作用，得到无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，该隔膜的厚度为30μm-70μm。
5.如权利要求4所述的一种无机微纳米氧化铝纤维电池隔膜，其特征在于，微米氧化铝纤维、纳米氧化铝纤维以质量比25∶75-50∶50混合，然后微纳米氧化铝纤维与芳纶沉析纤维以质量比97∶03-80∶20进行混合。
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