CN111106292A - 一种亲水耐热型锂离子电池隔膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种亲水耐热型锂离子电池隔膜及制备方法，属于电池隔膜制备领域。本发明提出一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，其技术点是：通过在陶瓷纤维表面焊接纳米硅藻土，并负载亲水改性剂，再利用湿法抄纸工艺制成锂电池隔膜，复合硅藻土后的陶瓷纤维不仅提升隔膜耐热性，而且提升隔膜表面的吸液能力，改善了隔膜的亲水性差、孔隙率低等问题，提升微孔膜挂液能力，改善离子通过能力，从而避免影响到锂电池的充放电容量和循环性。

Description

一种亲水耐热型锂离子电池隔膜及制备方法
技术领域
本发明涉及一种亲水耐热型锂离子电池隔膜及制备方法，属于电池隔膜制备领域。
背景技术
隔膜是锂离子电池的重要组成部分,其主要作用是提供短路保护和避免正负极直接接触,性能优异的隔膜对提高锂电池的综合性能具有重要的作用。聚丙烯是五大通用塑料之一，自1957年实现工业化生产以来，已有五十多年的历史。聚丙烯的力学性能优异，有较高的屈服强度、拉伸强度、表面硬度和弹性模量等，并具有较好的耐热性能，均聚聚丙烯的熔点高达165℃，可以在100-120℃的环境下长期使用；聚丙烯是半结晶性聚合物，通过加入成核剂或双向拉伸后，制品具有很好的透明性能；聚丙烯还具有良好的电绝缘性、易加工成型、价格低廉等优点。
目前，锂电池隔膜生产主要采用方法有：1、拉伸法(干法)：将塑料薄膜加到一定温度，采用物理方法拉伸，使分子链产生较大空隙。此方法孔密度和孔径控制较难，微孔均匀度差；2、湿法：令塑料薄膜处于液体状态，加入另一种沸点不同中介的液体物质，改变温度令中介物质相分析析出。在留下的薄膜上留下中介勿析出后的空间，即为微孔。此方法生产速度慢，且成本较高，工艺难度大。两者生产的微孔膜挂液（膜吸附的电解液）能力一般，不利于离子通过。
申请号为201810057290.1的中国专利公开了具有高浸润性、高热稳定性的锂电池隔膜及其制备方法。本发明属于锂电池隔膜领域，具体涉及一种具有高浸润性、高热稳定性锂电池隔膜及其制备方法。本发明提供一种具有高浸润性、高热稳定性的锂电池隔膜的制备方法，所述制备方法为：将基体膜和反应前驱体通过等离子化学沉积的方法将陶瓷粒子沉积在基体膜表面得到具有高浸润性、高热稳定性的锂电池隔膜；其中，所述基体膜为聚甲基戊烯隔膜，所述反应前驱体为正硅酸乙酯、甲硅烷、三甲基二硅氧烷、四甲基二硅氧烷或六甲苯二醚。本发明通过等离子体化学沉积法在自制的高熔点的聚甲基戊烯微孔隔膜上沉积陶瓷粒子，从而制备了一种具有高浸润性、高热稳定性的锂电池隔膜。
申请号为201410806915.1的中国专利公开了一种锂电池隔膜。本发明公开了一种锂电池隔膜，包括无纺布基层、压合在所述无纺布基层上下两面的聚乙烯薄膜层，所述锂电池隔膜的表面均布有微孔，其孔隙率为72-78%，所述无纺布基层是由纳米陶瓷复合纤维制成的，所述耐磨陶瓷复合纤维的成分及各成分所占的质量配比为：纳米陶瓷粉15%-20%、聚丙烯10%-15%、分散剂2%-5%、其余为溶剂。通过上述方式，本发明具有高孔隙率、低厚度、高吸液量、低电阻的特性，使锂电池容量高、使用寿命长。
申请号为201710314004.0的中国专利公开了一种锂电池隔膜纸的制备方法。本发明公开了一种锂电池隔膜纸的制备方法。该方法为：先将丙纶纤维、聚丙烯腈纤维以及聚酯纤维，疏解分散制成混合纤维浆料；加入陶瓷废料颗粒作为填料，经上网抄造，压榨脱水，干燥，热压后得到锂电池隔膜纸；取适量氮化硼分散于聚乙烯醇中得到涂布液，再将涂布液涂覆于锂电池隔膜纸上，在压光机上进行压光处理，得到包含绝缘涂层的锂电池隔膜纸。本发明所述的由上述三种纤维混合制成的锂电池隔膜纸，具有优异的电解质吸收性能以及较高的热稳定性，从而大大提高锂电池的安全性能。此外，本发明以陶瓷废料作为填料，变废为宝，极大降低了原材料成本。
但是上述专利制备的隔膜存在耐热性差，隔膜表面的吸液能力差，隔膜的亲水性差、孔隙率低等问题。
发明内容
针对现有聚烯烃锂离子电池隔膜挂液能力不理想，不利于离子通过，降低电池性能的缺陷，本发明提出一种亲水耐热型锂离子电池隔膜及制备方法，
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，利用激光烧结陶瓷纤维表面，纤维表面融化、固定的过程使得纳米硅藻土被焊接固定，得到改性陶瓷纤维；其中，所述陶瓷纤维与纳米硅藻土的重量比为0.2～0.3:1；激光的功率为20～30W，激光烧结时间为10～30s；
（2）将改性陶瓷纤维加入亲水改性剂浸泡，使改性陶瓷纤维的纤维、微孔界面充分吸附亲水改性剂，然后过滤、烘干；
（3）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与步骤（2）处理的改性陶瓷纤维混合，加入分散剂和水并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为40～80oSR；其中，聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.1～0.3:0.1～0.5:1:0.02～0.04:0.06～0.08；
（4）将步骤（3）制得的浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
优选的，步骤（2）所述亲水改性剂为聚丙烯酸、聚乙烯醇、乳酸、衣康酸至少一种的水溶液。
优选的，步骤（3）所述分散剂为聚乙二醇200或聚乙二醇400。
优选的，步骤（3）所述添加剂为芳纶、聚酰亚胺和尼龙中的一种或几种。
优选的，步骤（3）所述超声分散功率为200～300W，超声时间为0.5h～2h。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种亲水耐热型锂离子电池隔膜。
一种亲水耐热型锂离子电池隔膜，由上述的亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法制备而成。
目前，锂电池隔膜生产主要采用方法为拉伸法(干法)和湿法，但是干法（拉伸法）导致孔密度和孔径控制较难，微孔均匀度差；湿法生产速度慢，且成本较高，工艺难度大，且两者生产的微孔膜挂液（膜吸附的电解液）能力一般，不利于离子通过。
针对现有聚烯烃锂离子电池隔膜挂液能力不理想，不利于离子通过，降低电池性能的缺陷，本发明提出一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，其技术点是：通过在陶瓷纤维表面焊纳米硅藻土，通过激光焊接保留了纤维和硅藻土的良好微孔界面，易于储存亲水性改性剂，利用湿法抄纸工艺制成锂电池隔膜，复合硅藻土后的陶瓷纤维不仅提升隔膜耐热性，而且提升隔膜表面的吸液能力，改善了隔膜的亲水性差、孔隙率低等问题，提升微孔膜挂液能力，改善离子通过能力，从而避免影响到锂电池的充放电容量和循环性。
本发明的一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：
1、征对现有聚烯烃锂离子电池隔膜挂液能力较差，离子通过较难，提出了通过在陶瓷纤维表面焊接亲水改性的纳米硅藻土，再利用湿法抄纸工艺制成锂电池隔膜的新思路。
2、本发明的一种亲水耐热型锂离子电池隔膜，复合硅藻土后的陶瓷纤维不仅提升隔膜耐热性，而且提升隔膜表面的吸液能力，改善了隔膜的亲水性差、孔隙率低等问题，提升微孔膜挂液能力，改善离子通过能力，从而避免影响到锂电池的充放电容量和循环性。
3、本发明的一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，投入小、成本低、无环境污染、产量高，具有显著的市场应用价值。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本发明的范围内。
实施例1
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，利用激光烧结陶瓷纤维表面，纤维表面融化、固定的过程使得纳米硅藻土被焊接固定，得到改性陶瓷纤维；其中，所述陶瓷纤维与纳米硅藻土的重量比为0.2:1；激光的功率为30W的二氧化碳激光，激光烧结时间为10s；
（2）将改性陶瓷纤维加入浓度为5%的聚丙烯酸液浸泡，使改性陶瓷纤维的纤维、微孔界面充分吸附亲水改性剂，然后过滤、烘干；
（3）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与改性陶瓷纤维混合，加入分散剂并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为80oSR；其中，所述的添加剂为芳纶、聚酰亚胺和尼龙按1:1:1混匀得到；所述分散剂为聚乙二醇200；聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.2:0.3:1: 0.03:0.07；超声功率为250W，超声时间为1h；
（4）将浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
实施例2
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，利用激光烧结陶瓷纤维表面，纤维表面融化、固定的过程使得纳米硅藻土被焊接固定，得到改性陶瓷纤维；其中，所述陶瓷纤维与纳米硅藻土的重量比为0.25:1；激光的功率为30W的二氧化碳激光，激光烧结时间为12s；
（2）将改性陶瓷纤维加入浓度为12%的乳酸亲水改性剂浸泡，使改性陶瓷纤维的纤维、微孔界面充分吸附亲水改性剂，然后过滤、烘干；
（3）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与改性陶瓷纤维混合，加入分散剂并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为60oSR；其中，所述的添加剂为芳纶；所述分散剂为聚乙二醇200；聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.3: 0.5:1:0.04: 0.08；超声功率为200W，超声时间为0.5h。
（4）将浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
实施例3
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，利用激光烧结陶瓷纤维表面，纤维表面融化、固定的过程使得纳米硅藻土被焊接固定，得到改性陶瓷纤维；其中，所述陶瓷纤维与纳米硅藻土的重量比为0.25:1；激光的功率为30W，激光烧结时间为15s；
（2）将改性陶瓷纤维加入浓度为3%的衣康酸亲水改性剂浸泡，使改性陶瓷纤维的纤维、微孔界面充分吸附亲水改性剂，然后过滤、烘干；
（3）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与改性陶瓷纤维混合，加入分散剂并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为60oSR；其中，所述的添加剂为尼龙粉；所述分散剂为聚乙二醇200；聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.3: 0.5:1:0.04: 0.08；超声功率为200W，超声时间为0.5h。
（4）将浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
实施例4
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，利用激光烧结陶瓷纤维表面，纤维表面融化、固定的过程使得纳米硅藻土被焊接固定，得到改性陶瓷纤维；其中，所述陶瓷纤维与纳米硅藻土的重量比为0.25:1；激光的功率为30W，激光烧结时间为15s；
（2）将改性陶瓷纤维加入浓度为5%的聚乙烯醇亲水改性剂浸泡，使改性陶瓷纤维的纤维、微孔界面充分吸附亲水改性剂，然后过滤、烘干；
（3）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与改性陶瓷纤维混合，加入分散剂并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为80oSR；其中，所述的添加剂为芳纶；所述分散剂为聚乙二醇400；聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.3: 0.5:1:0.04: 0.08；超声功率为200W，超声时间为0.5h。
（4）将浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
对比例1
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，作为改性陶瓷纤维；
（2）将改性陶瓷纤维加入浓度为5%的聚丙烯酸液浸泡，使改性陶瓷纤维的纤维、微孔界面充分吸附亲水改性剂，然后过滤、烘干；
（3）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与改性陶瓷纤维混合，加入分散剂并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为80oSR；其中，所述的添加剂为芳纶、聚酰亚胺和尼龙按1:1:1混匀得到；所述分散剂为聚乙二醇200；聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.2:0.3:1: 0.03:0.07；超声功率为250W，超声时间为1h；
（4）将浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
对比例1未采用激光焊接将纳米微孔硅藻土固定在陶瓷纤维，其孔界面面积受影响。
对比例2
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，利用激光烧结陶瓷纤维表面，纤维表面融化、固定的过程使得纳米硅藻土被焊接固定，得到改性陶瓷纤维；其中，所述陶瓷纤维与纳米硅藻土的重量比为0.2:1；激光的功率为30W的二氧化碳激光，激光烧结时间为10s；
（2）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与改性陶瓷纤维混合，加入分散剂并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为80oSR；其中，所述的添加剂为芳纶、聚酰亚胺和尼龙按1:1:1混匀得到；所述分散剂为聚乙二醇200；聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.2:0.3:1: 0.03:0.07；超声功率为250W，超声时间为1h；
（3）将浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
对比例2未对改性陶瓷纤维进行亲水改性剂预处理，使得最终得到的膜亲水性受影响，影响电解液的浸润效果。
性能测试：
孔隙率测试：按照GB/T21650.1-2008“压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙率第1部分：压汞法”测量锂离子电池隔膜的孔隙率；
微孔膜的热收缩率：将锂离子电池隔膜沿纵向(MD)和横向(TD)截取边长为100mm的正方形，将其放置于温度为 105℃的烘箱内30分钟，取出测量MD、TD的长度，并计算热收缩率；
吸液率测试：按照QB/T 2303.11-2008的规定，测试锂离子电池隔膜的吸液率。
测试实施例1-4和对比例1-2制得的锂离子电池隔膜，具体性能参数如下表1所示：
表1
Figure 779019DEST_PATH_IMAGE002

Claims (6)

1.一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）称取纤维细度为1mm~3mm的陶瓷纤维与纳米硅藻土混合均匀，利用激光烧结陶瓷纤维表面，纤维表面融化、固定的过程使得纳米硅藻土被焊接固定，得到改性陶瓷纤维；其中，所述陶瓷纤维与纳米硅藻土的重量比为0.2～0.3:1；激光的功率为20～30W，激光烧结时间为10～30s；
（2）将改性陶瓷纤维加入亲水改性剂浸泡，使改性陶瓷纤维的纤维、微孔界面充分吸附亲水改性剂，然后过滤、烘干；
（3）将聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维与步骤（2）处理的改性陶瓷纤维混合，加入分散剂和水并超声分散，再添加添加剂，用打浆机匀整成浆，打浆度控制为40～80oSR；其中，聚丙烯熔喷纤维、纤维素纤维、改性陶瓷纤维、分散剂和添加剂的重量比为0.1～0.3:0.1～0.5:1:0.02～0.04:0.06～0.08；
（4）将步骤（3）制得的浆料倒入抄纸机容器进行抄纸，然后网部脱水成型，再进行轧压、干燥，最后经卷绕，得到亲水耐热型锂离子电池隔膜。
2.根据权利要求1所述的一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述亲水改性剂为聚丙烯酸、聚乙烯醇、乳酸、衣康酸至少一种的水溶液。
3.根据权利要求1所述的一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述分散剂为聚乙二醇200或聚乙二醇400。
4.根据权利要求1所述的一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述添加剂为芳纶、聚酰亚胺和尼龙中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述超声分散功率为200～300W，超声时间为0.5h～2h。
6.一种亲水耐热型锂离子电池隔膜，由权利要求1-5任一项所述的亲水耐热型锂离子电池隔膜的制备方法制备而成。
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