CN110635088B - 一种离子电池隔膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于电池隔膜的技术领域，尤其涉及一种离子电池隔膜及其制备方法。本申请提供了一种离子电池隔膜的制备方法，包括步骤1、将聚乳酸与有机溶剂混合，制得油相溶液；将分散剂与水混合，制得水相溶液；步骤2、将所述油相溶液与所述水相溶液进行乳化，制得乳酸微球，然后将所述乳酸微球干燥得到乳酸微球粉末；步骤3、将所述乳酸微球粉末、水与粘结剂混合，制得涂敷浆料；步骤4、将所述涂敷浆料涂敷在电池隔膜的表面，然后真空烘干后制得离子电池隔膜。本申请提供了一种离子电池隔膜及其制备方法，能有效解决目前离子电池隔膜存在的保液性差、浸润性差的技术缺陷。

Description

一种离子电池隔膜及其制备方法
技术领域
本申请属于电池隔膜的技术领域，尤其涉及一种离子电池隔膜及其制备方法。
背景技术
锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池的性能有很大的影响。
对于离子电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用PE膜，但是，现有的PE膜的熔点为120-140℃，所以热收缩性能不佳；PE膜结构为-CH2-CH2-，为非极性材料，由于相似相容，PE膜和电解液浸润性较差，电解液极易挥发，电池电阻会变大，影响电池性能和寿命。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种离子电池隔膜及其制备方法，能有效解决目前离子电池隔膜存在的保液性差、浸润性差的技术缺陷。
本申请提供了一种离子电池隔膜的制备方法，包括：
步骤1、将聚乳酸与有机溶剂混合，制得油相溶液；将分散剂与水混合，制得水相溶液；
步骤2、将所述油相溶液与所述水相溶液进行乳化，制得乳酸微球，然后将所述乳酸微球干燥得到乳酸微球粉末；
步骤3、将所述乳酸微球粉末、水与粘结剂混合，制得涂敷浆料；
步骤4、将所述涂敷浆料涂敷在电池隔膜的表面，然后真空烘干后制得离子电池隔膜。
具体的，本申请市售聚乳酸可以为聚-D乳酸、聚-L乳酸和聚-DL乳酸中的一种或多种。
需要说明的是，步骤2得到乳酸微球后，无需经过常规的离心洗涤(去离子水和丙酮交替洗洗涤)，而是直接烘干后得到乳酸微球粉末，通过后续的加热烘干使步骤2得到乳酸微球含有的有机溶剂挥发。
作为优选，步骤1中，所述聚乳酸选自聚-L乳酸；所述聚-L乳酸的摩尔质量为100～200kg/mol，优选的，所述聚-L乳酸的摩尔质量为150～200kg/mol。
需要说明的是，本申请选择聚乳酸的摩尔质量有利于形成中空结构的聚乳酸微球，聚乳酸的摩尔质量越低，其分子链越短，缠结的状态越差，越容易降解以及释放包覆的溶液。本申请利用聚乳酸微球制备离子电池隔膜，聚乳酸微球的降解速度和释放溶液速度不宜太快，因此，本申请选自适宜摩尔质量的聚乳酸，本申请选用工业挤出注塑级的聚乳酸。
作为优选，步骤1中，所述有机溶剂选自二氯甲烷或/和三氯甲烷。
作为优选，步骤1中，所述分散剂选自聚乙烯醇PVA、聚丙烯酸钠和磺酸钠盐中的一种或几种；更优选，所述分散剂PVA。
作为优选，所述聚乙烯醇PVA的质量分数为0.5％～5％；更优选为0.5～2％。
作为优选，步骤2中，所述乳化的温度为25℃～60℃；所述乳化的搅拌转速为600～1200r/min；更优选为600～1000r/min。
作为优选，步骤2中，所述乳化还包括超声处理，所述超声时间为0-10min。
更为优选，所述超声时间为3～10min，所述超声时间为0-10min。
作为优选，步骤2中，所述干燥的温度为50～110；所述干燥的时间为2～8h；更优选为4～6h。
作为优选，步骤3中，所述粘结剂选自聚乙烯醇PVA或/和氧化环糊精(由5％过氧化氢溶液氧化)。
本申请还提供了一种离子电池隔膜，包括所述的制备方法制得的离子电池隔膜。
本申请的电池隔膜应用于锂离子电池(正极包括钴酸锂，锰酸锂，磷酸铁锂，三元材料)，锂硫电池，钠离子电池。
本申请创造性的利用了聚乳酸微球作为离子电池隔膜的浆料，聚乳酸的玻璃化转变温度为60℃，熔点为155～170℃，具有耐热性、缓释溶液的作用，本申请采用O-W乳液法，以及适宜摩尔质量的聚乳酸制备乳酸微球后，微球由聚乳酸交织成中空的球状结构，干燥后得到乳酸微球粉末，乳酸微球粉末与适宜的隔膜浆料的物质混合后涂敷在电池隔膜的表面，得到的电池隔膜采用现有常规技术制成电池后，聚乳酸微球的球体内部的空心结构可以储存电解液，增加保液率；由于聚乳酸的玻璃化转变温度为60℃，当电池工作温度为60℃时(比如手机，这个温度在夏天很容易达到)，普通的PE隔膜很容易使电解液挥发导致电池电阻变大，乳酸微球则会释放部分电解液，从而弥补高温损失的电解液(玻璃化转变温度：高分子链段开始运动的温度)。终上所述，本申请的离子电池隔膜具有较好的高温电化学性能；相对较高的熔程；优异的保电解液能力；可使电池循环，倍率性能小幅提升；较好的耐热收缩性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1示本申请实施例1提供的乳酸微球的第一放大倍数的微观形貌图；
图2示本申请实施例1提供的乳酸微球的第二放大倍数的微观形貌图；
图3示本申请实施例1提供的乳酸微球的第三放大倍数的微观形貌图；
图4示本申请实施例1提供的乳酸微球的第四放大倍数的微观形貌图；
图5示现有常规的离子电池PE隔膜的表面接触角；
图6示本申请实施例1提供的离子电池隔膜的表面接触角。
具体实施方式
本申请提供了一种离子电池隔膜及其制备方法，能有效解决目前离子电池隔膜存在的保液性差、浸润性差的技术缺陷。
下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
其中，以下实施例所用试剂为市售或自制。
实施例1
本申请实施例提供了第一种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为190kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉末经干燥后，取0.02μm的乳酸微球1g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.1g，搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：1μm，组装电池测试电池电化学性能。
实施例2
本申请实施例提供了第二种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为190kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉末经干燥后，取0.02μm的乳酸微球2g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.3g搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：1μm，组装电池测试电池电化学性能。
实施例3
本申请实施例提供了第三种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为19kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉经干燥后，取0.02μm的乳酸微球1g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.1g，搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：5μm，组装电池测试电池电化学性能。
实施例4
本申请实施例提供了第四种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为19kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉经干燥后，取0.02μm的乳酸微球2g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.3g，搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：5μm，组装电池测试电池电化学性能。
实施例5
本申请实施例提供了第五种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为19kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉经干燥后，取2μm的乳酸微球1g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.3g，搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：1μm，组装电池测试电池电化学性能。
实施例6
本申请实施例提供了第六种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为19kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉末经干燥后，取2μm的乳酸微球1g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.3g，搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：5μm，组装电池测试电池电化学性能。
实施例7
本申请实施例提供了第七种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为19kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉末经干燥后，取2μm的乳酸微球2g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.3g，搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：1μm，组装电池测试电池电化学性能。
实施例8
本申请实施例提供了第八种离子电池隔膜，具体制备步骤如下：
制备油相溶液：将1g，摩尔质量为19kg/mol的聚-L乳酸加入二氯甲烷中，60℃加热搅拌溶解10min或者室温搅拌1h溶解。
制备水相溶液：取0.1g的PVA和去离子水混合，得水相溶液。
水相溶液和油相溶液混合乳化，60℃加热搅拌8h，转子速度：800r/min；20khz下超声3～10min得不同粒径的乳酸微球(当超声时间为3min得2μm乳酸微球，当超声时间为10min得到0.02μm乳酸微球)，60℃鼓风干燥6h得乳酸微球粉末。
乳酸微球粉末经干燥后，取0.02μm的乳酸微球2g，去离子水10g，PVA0.05g，氧化环糊精0.3g，搅拌混合均匀得白色的涂敷浆料，使用涂布机涂覆在现有常用的PE隔膜表面，单面涂覆层厚度为：5μm，组装电池测试电池电化学性能。
对比例
未涂覆涂敷浆料的PE隔膜组装电池测试电池电化学性能。
实施例9
对实施例1-8和对比例得到的电池进行性能检测，结果如表1和表2所述。
表1
Figure BDA0002216395440000071
Figure BDA0002216395440000081
注：表1的热收缩测试的温度为120℃，时间为1h。
表2
测试项目 0.5C 1C 2C 5C 8C
对比例 165 145 138 128 118
实施例5 170 150 140 130 125
实施例1 169 149 138 131 126
实施例2 172 151 141 133 129
实施例3 173 149 139 130 125
实施例4 169 150 138 130 124
实施例6 171 151 140 130 119
实施例7 170 150 142 129 123
实施例8 174 153 140 128 122
注：表2的测试项目是大倍率充放电测试，单位是mA/g。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将聚乳酸与有机溶剂混合，制得油相溶液；将分散剂与水混合，制得水相溶液；所述有机溶剂选自二氯甲烷或/和三氯甲烷；所述分散剂选自聚乙烯醇PVA和聚丙烯酸钠中的一种或两种；所述聚乳酸选自聚-L乳酸；所述聚-L乳酸的摩尔质量为150~200kg/mol；
步骤2、将所述油相溶液与所述水相溶液进行乳化，制得聚乳酸微球，然后将所述聚乳酸微球干燥得到聚乳酸微球粉末；所述聚乳酸微球的球体内部的空心结构用于储存电解液；
步骤3、将所述聚乳酸微球粉末、水与粘结剂混合，制得涂敷浆料；
步骤4、将所述涂敷浆料涂覆在电池隔膜的表面，然后真空烘干后制得离子电池隔膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乙烯醇PVA的质量分数为0.5%~5%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述乳化的温度为25℃~60℃；所述乳化的搅拌转速为600~1200r/min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述乳化还包括超声处理，所述超声处理的时间为0-10 min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述干燥的温度为50~110℃；所述干燥的时间为2~8h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述粘结剂选自聚乙烯醇PVA或/和氧化环糊精，后者通过5%过氧化氢氧化。
7.一种离子电池隔膜，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的制备方法制得的离子电池隔膜。
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