CN111224152B - 一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法 - Google Patents

一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，包括以下步骤：设置工作温度，等待双辊塑炼机的温度达到工作温度；调节双辊间距达到最小值，加入聚合物；聚合物料软化后，调节双辊的间距和双辊的转速，聚合物塑化成膜并包辊；加入固态电解质盐，将固态电解质盐和聚合物的膜形成混合料进行混炼；混炼x分钟后，通过料刀将包在前辊筒上的混合料横向割断，随着前辊筒的旋转将胶料左右两边不断向中间折叠成一个三角包，将三角包投入到双辊中，继续包辊混炼，重复y次；通过双辊塑炼机将混炼料进行薄通，形成全固态聚合物电解质膜。本发明无需使用任何溶剂，绿色环保；膜的厚度可控、制备的电解质离子电导率高，可实现大规模生产。

Description

一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法
技术领域
本发明涉及离子导体领域，更具体地，涉及一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法。
背景技术
目前，商业化的二次离子电池如锂电池主要采用有机液体电解质，但是液体电解质的易燃性危及公众安全，其爆炸和泄漏的潜在威胁阻碍了锂离子电池的进一步发展，因此，研究出更安全的电解质材料和电极材料显得尤为重要。而固态聚合物电解质因具有高的安全性、很好的力学柔顺性、良好的稳定性、低成本和易加工成膜等诸多优点，被认为是下一代高能存储器件用电解质最具潜力的材料之一。
固态聚合物电解质(SPE)主要是由聚合物和电解质盐组成。发展至今，常见的SPE包括聚环氧乙烷(PEO)、聚丙烯腈(PAN)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧丙烷(PPO)、聚偏氯乙烯(PVDC)、聚(亚乙烯基六氟化钴聚乙烯纤维)(PVDF-HFP)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸乙酯(PEMA)、聚己内酯(PCL)、壳聚糖以及单离子聚合物电解质等。常见的固态电解质盐包括锂盐(如LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiTFSi等)、钠盐(如NaPF6、NaBF4、NaAsF6、NaTFSi等)、钾盐(如六氟磷酸钾(KPF6)、双氟磺酰亚胺钾(KFSI)等)、锌盐、铜盐等其它体系。目前，比较常用的SPE基体是PEO及其衍生物，主要得益于PEO具有良好的尺寸稳定性、强的盐络合能力、良好的耐腐蚀性、优异的柔顺性和化学稳定性，较低的成本。其制备方法主要有溶液浇注法(Yi Cui,NanoLett.2016,16:459-465)、辐照交联法(Sinha M,Ionis,2008,14(4):323-327)、相转移法(Bandara T M W J,Solid State Ionics,2009,180(4-5):362-367)、溶胶－凝胶法(顾书英,仁杰,聚合物基复合材料(M).化学工业出版社,2007)、共混热压法(Appetechi G B,JElectrochem Soc,2000,147(12):4448-4452)。其中溶液浇注法、辐照交联法、相转移法、溶胶－凝胶法均在溶液中进行，需将聚合物、电解质盐等材料与添加剂按照一定计量比例溶于甲醇、乙腈等溶剂，反应结束后再除去溶剂，得到准固态聚合物电解质薄膜。因此，上述方法需要消耗大量有机溶剂，而且所得电解质膜往往存在溶剂残留，所以很难得到全固态电解质材料。此外，制膜过程中溶剂挥发动力学复杂，容易导致膜厚不均匀及材料的工艺性能稳定性差，成本高昂，反应时间长，不利于绿色、环保的时代需求。而共混热压法需要先将有机聚合物、锂盐、无机纳米颗粒及其它添加剂共混，再在高温下将共混物软化并加压碾压成一定厚度的膜。该方法虽然无溶剂，但由于聚合物、锂盐和其它添加剂在一般条件下很难混合均匀，不利于长程有序离子通道的形成，导致离子电导率普遍偏低。
发明内容
为克服上述现有技术与方法的不足，本发明提出了一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法。本发明无需使用任何溶剂，避免了残留溶剂对电解质性质的不良影响，也降低了电解质的生产成本，并且操作简单、绿色环保、省时、膜的厚度可控且无缺陷、制备的电解质离子电导率高，十分有利于大规模生产。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，包括以下步骤：
设置工作温度，等待双辊塑炼机的温度达到工作温度；
调节双辊间距达到最小值，加入聚合物；
聚合物料软化后，调节双辊的间距和双辊的转速，聚合物塑化成膜并包辊；
加入固态电解质盐，将固态电解质盐和聚合物的膜形成混合料进行混炼；
混炼x分钟后，通过料刀将包在前辊筒上的混合料横向割断，随着前辊筒的旋转将胶料左右两边不断向中间折叠成一个三角包，将三角包投入到双辊中，继续包辊混炼，重复y次；所述的x是预设值，所述的y是预设值；
通过双辊塑炼机将混炼料进行薄通，形成全固态聚合物电解质膜。
本发明通过双辊塑炼机制备全固态聚合物电解质膜，制备过程简单易操作；无需使用任何溶剂，避免了残留溶剂对电解质性质的不良影响，绿色环保；同时也减少了电解质的生产工艺，膜的厚度可控、制备的电解质离子电导率高，可实现大规模生产。
在一种优选的方案中，所述的双辊的转速的范围是0～50转每分钟(rpm)。
在一种优选的方案中，所述的双辊的转速的范围是4～15转每分钟(rpm)。
本优选方案中，500克级别的电解质材料制备优选上述转速。
在一种优选的方案中，所述的前辊筒和后辊筒的直径的范围是20～1000mm。
在一种优选的方案中，所述的前辊筒和后辊筒的直径是120mm。
本优选方案中，500克级别的电解质材料制备优选上述辊筒的直径。
在一种优选的方案中，所述的前辊筒和后辊筒的转速比的范围是1:1.2～1.3。
在一种优选的方案中，所述的工作温度的范围是20～160℃。
在一种优选的方案中，所述的双辊间距的范围是0.5～15mm。
在一种优选的方案中，所述的聚合物和固态电解质盐的物料比的范围是1:20～100:1。
在一种优选的方案中，所述的y的范围是5～10。
在一种优选的方案中，所述的x的范围是1～15。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明通过双辊塑炼机制备全固态聚合物电解质膜，制备过程简单易操作；无需使用任何溶剂，避免了残留溶剂对电解质性质的不良影响，绿色环保；同时也减少了电解质的生产工艺，膜的厚度可控、制备的电解质离子电导率高，工艺成本低廉，有利于聚合物电解质在聚合物基二次离子电池、电化学电容器、燃料电池、太阳能电池、电致变色器件的大规模商业化应用。
附图说明
图1为实施例的流程图；
图2为实施例的双辊塑炼机的结构图；
图3为实施例在聚合物和固态电解质盐的物料比1:10的样品图；
图4为实施例在聚合物和固态电解质盐的物料比100:1的样品图；
图5为实施例在聚合物和固态电解质盐的物料比16:1的样品图；
图6为实施例在聚合物和固态电解质盐的物料比25:1的样品图；
图7为实施例在聚合物和固态电解质盐的物料比16:1的样品阻抗谱图；
图8为实施例在聚合物和固态电解质盐的物料比25:1的样品阻抗谱图；
图9为实施例的应用示例图；
图10为实施例的应用示例图；
图11为实施例的应用示例图。
标号说明：1、刹车柄；2、后辊筒；3、积料；4、挡腔板；5、水阀；6、前辊筒；7、循环水；8、手轮；9、接料盘；10、控温面板；11、料刀；12、开关及旋钮；13、进水阀；14、机座。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例
如图1所示，一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，包括以下步骤：
设置工作温度，等待双辊塑炼机的温度达到工作温度；
调节双辊间距达到最小值，加入聚合物；
聚合物料软化后，调节双辊的间距和双辊的转速，聚合物塑化成膜并包辊；
加入固态电解质盐，将固态电解质盐和聚合物的膜形成混合料进行混炼；
混炼x分钟后，通过料刀将包在前辊筒上的混合料横向割断，随着前辊筒的旋转将胶料左右两边不断向中间折叠成一个三角包，将三角包投入到双辊中，继续包辊混炼，重复y次；
通过双辊塑炼机将混炼料进行薄通，形成全固态聚合物电解质膜。
本发明通过双辊塑炼机制备全固态聚合物电解质膜，制备过程简单易操作；无需使用任何溶剂，避免了残留溶剂对电解质性质的不良影响，绿色环保；同时也减少了电解质的生产工艺，膜的厚度可控、制备的电解质离子电导率高，可实现大规模生产。
在实施例中，还可以进行以下扩展：双辊的转速的范围是0～50转每分钟(rpm)。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：双辊的转速的范围是4～15转每分钟(rpm)。
本改进的实施例中，500克级别的电解质材料制备优选上述转速。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：前辊筒和后辊筒的直径的范围是20～1000mm。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：前辊筒和后辊筒的直径是120mm。
本改进的实施例中，500克级别的电解质材料制备优选上述辊筒的直径。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：前辊筒和后辊筒的转速比的范围是1:1.2～1.3。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：工作温度的范围是20～160℃。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：双辊间距的范围是0.5～15mm。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：聚合物和固态电解质盐的物料比的范围是1:20～100:1。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：y的范围是5～10。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：x的范围是1～15。
实验环境：
以分子量(M)为600000的PEO和双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSi)为材料，设定聚合物和固态电解质盐的物料比1:10、100:1、16:1和25:1进行实验，如图2所示，实验步骤如下：
(1)控温：打开双辊塑炼机控温面板10，设置双辊温度为70℃，等待双辊2、6温度稳定在设定温度；
(2)塑炼：转动手轮8，调节双辊2、6间距到最小值，加入500g的PEO聚合物，等待聚合物软化后开动机器。调节双辊2、6间距到0.5～1mm和前辊筒6转速为8rpm及后辊筒2转速为10rpm，依靠摩擦力将聚合物拉入辊隙，在强烈的剪切和挤压作用下塑化成膜并包辊(聚合物包于前辊筒6、形成光滑无隙的包辊膜)；
(3)混炼：调节双辊2、6上方的挡腔板4间距，使双辊2、6上方有少量积料3。缓慢加入130g的LiTFSi(聚合物和固态电解质盐的物料比25:1)进行混炼。适当调宽双辊2、6的间距，减少上面的积料3。混炼2分钟后，利用料刀11将包在前辊筒6上的胶料横向割断，随着前辊筒6的旋转将胶料左右两边不断向中间折叠成一个三角包，将三角包投入到双辊2、6中，继续包辊混炼；如此反复8次，使固态电解质盐均匀分散在聚合物之中；
(4)收料：调低双辊转速，调宽双辊2、6间距，待所有料包覆在前辊筒6上后用料刀11将胶料从前辊筒6上横向割断，打卷，放入接料盘9中；
(5)制膜：将双辊2、6间距调至最低，将混炼料放到双辊上，薄通2～3次，至观察到物料厚度均匀、表面平整没有破口、皱皮等缺陷，表明制膜成功；将膜从双辊底部缓慢拉出，放在垫有玻璃纸的接料盘内。如有缺陷，可以通过调整辊距、挡板间距、辊筒温度及转速来改进。通过转动手轮调整辊距控制膜的厚度，制得厚度约350μm的电解质薄膜。
(6)存放：将带有玻璃纸的聚合物电解质膜用剪刀裁剪成适当尺寸迅速转移到密封袋内密封，并及时转移到干燥氮气保护的恒温(30℃)恒湿(湿度<45％)柜中存放备用。
(7)按照上述工艺依次制备聚合物和固态电解质盐的物料比1:10、100:1、16:1和25:1的固态聚合物电解质膜。
(8)将上述电解质膜裁剪为Φ17mm的圆片，置于两片不锈钢片间，形成钢片∣电解质膜∣钢片的对称“三明治”结构，然后在室温下进行离子电导率测试。
图3为聚合物和固态电解质盐的物料比1:10的样品图；图4为聚合物和固态电解质盐的物料比100:1的样品图；图5为聚合物和固态电解质盐的物料比16:1的样品图；图6聚合物和固态电解质盐的物料比25:1的样品图；
图7聚合物和固态电解质盐的物料比16:1的样品阻抗谱图；图8为聚合物和固态电解质盐的物料比25:1的样品阻抗谱图；根据公式σ＝l/(S*R)及(l,S,R分别代表固态电解质膜的厚度，电池电极面积，电解质的本体电阻)得到聚合物和固态电解质盐的物料比为25:1和16:1的室温离子电导率分别为7.32×10-5S/cm和6.68×10-5S/cm。
图9为实施例在全固态锂离子电池的应用示例图；图10为实施例在电化学电容器的应用示例图；图11为实施例在燃料电池的应用示例图。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；例如实施例中离子电导率的计算公式并不仅限于实施例中举例的公式，不同的种类的离子电导率的计算公式各不相同。上述的是实施例的限定并不能理解为对本专利的限制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
设置工作温度，等待双辊塑炼机的温度达到工作温度；
调节双辊间距达到最小值，加入聚合物；
聚合物料软化后，调节双辊的间距和双辊的转速，聚合物塑化成膜并包辊；
加入固态电解质盐，将固态电解质盐和聚合物的膜形成混合料进行混炼；
混炼x分钟后，通过料刀将包在前辊筒上的混合料横向割断，随着前辊筒的旋转将胶料左右两边不断向中间折叠成一个三角包，将三角包投入到双辊中，继续包辊混炼，重复y次；所述的x是预设值，所述的y是预设值；
通过双辊塑炼机将混炼料进行薄通，形成全固态聚合物电解质膜；
其中，所述双辊的转速的范围是0～50转每分钟；前辊筒和后辊筒的转速比的范围是1:1.2～1.3；所述工作温度的范围是20～160℃；所述双辊间距的范围是0.5～15mm；所述聚合物为PEO；聚合物和固态电解质盐的物料比的范围是1:20～100:1。
2.根据权利要求1所述的采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，其特征在于，所述的双辊的转速的范围是4～15转每分钟。
3.根据权利要求1～2中任一权利要求所述的采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，其特征在于，所述的前辊筒和后辊筒的直径的范围是20～1000mm。
4.根据权利要求3所述的采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，其特征在于，所述的前辊筒和后辊筒的直径是120mm。
5.根据权利要求1、2或4所述的采用双辊塑炼机批量制备全固态聚合物电解质膜的方法，其特征在于，所述的y的范围是5～10；所述的x的范围是1～15。
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