CN111653711A - 一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜及其制备方法，锂电池隔膜用生物质纤维复合膜由3层纤维复合膜层合而成；各层纤维复合膜都为纤维上固着有纳米二氧化硅颗粒和粘性物质的蚕丝纳米纤维膜；由外至内沿厚度方向各层纤维复合膜的平均孔径递减，纳米二氧化硅颗粒含量递减；制备方法为：将3张平均孔径不同的蚕丝纳米纤维膜各自浸泡于不同纳米二氧化硅颗粒浓度的粘性物质水溶液中，蚕丝纳米纤维膜的平均孔径越大其对应的纳米二氧化硅颗粒浓度越大，取出干燥后，按一定形式进行叠放再热压层合即得锂电池隔膜用生物质纤维复合膜。本发明的制备方法简单，产品的热尺寸稳定性和耐穿刺性能优越，提高了锂电池隔膜的安全性，极具应用前景。

Description

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜及其制备方法

技术领域

本发明属锂离子电池制造技术领域，涉及一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜及其制备方法。

背景技术

隔膜作为电池的重要组成部分，虽不直接参与电化学反应，但在电池中起着隔离正负极、提供离子传输通道、防止电池内部短路的作用，其结构和性能对电池的使用和安全性能有着重要影响。近年来，随着电动汽车、混合动力汽车、智能电网等大规模储能设备的应用，能够提供更高能量密度的锂金属电池得到快速发展。然而，在锂金属电池充放电过程中电池负极会产生锂枝晶，枝晶的形成和生长会使电池的库伦效率降低、循环使用寿命下降，同时锂枝晶会刺穿隔膜造成电池短路引起失火或爆炸等安全问题。而且，电池隔膜是被夹在正负极之间的膜材料，需要承受很大的压力。即为了防止短路，隔膜必须具备一定的抗穿刺强度。聚烯烃隔膜是目前市面上广泛使用的锂电池隔膜，一方面，聚烯烃隔膜的耐穿刺强度和高温尺寸稳定性较差，不利于锂电池的安全使用；另一方面，随着锂电池市场规模的不断扩大，锂电池隔膜的需求量也将迅速增加，石油基聚烯烃隔膜的大量使用势必会增加环境负担。因此，开发一种具有优良的热尺寸稳定性以及耐穿刺性能的生物质隔膜及其制备方法极具现实意义。

目前通过提高隔膜的力学性能如断裂强度、模量等可在一定程度上提高隔膜的耐穿刺性能，使用方法多数是在聚烯烃隔膜上涂覆无机纳米颗粒，这种方法也能在一定程度上提高隔膜的热稳定性，但多数存在无机层与有机隔膜间的粘附力较弱，无机颗粒易脱落污染电解液等问题。专利CN201910668433.7公开了一种锂离子电池隔膜，该隔膜包括基膜和涂层，该方法虽然使用电泳技术使涂层更加均匀，附着力增强，但隔膜致密度大大提高，使得隔膜的孔隙率减小，不利于离子导通。实用新型专利CN201920388886.X涉及一种抗撕裂纳米纤维隔膜，纤维膜的孔隙率较大可保证离子之间的导通，但层与层之间缺少了粘结容易分层，同时隔膜的力学性能和热学性能因缺少无机物质而提高程度有限。专利CN201811224175.5公开了一种静电纺丝制备的纤维隔膜，表面涂覆无机陶瓷，虽然隔膜的孔隙率和耐高温性能都得到提高，但无机陶瓷与有机纤维间的粘附力仍较弱。同时上述公开专利中使用的基材或是聚烯烃隔膜，或是其他有机聚合物，不利于隔膜材料的回收利用与环境的可持续发展。

因此，开发一种具有优良的热尺寸稳定性以及耐穿刺性能的生物质隔膜及其制备方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是通过设计一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的方法，以提高电池隔膜的热尺寸稳定性和耐穿刺性能，提高隔膜的使用安全性与回收利用性。本发明首先是以蚕丝类的生物质材料为原料，利用静电纺丝技术制备具有不同孔径结构的蚕丝纳米纤维膜；其次将上述纳米纤维膜浸入分散有纳米颗粒的粘性物质溶液，形成有机无机复合的纳米纤维复合膜；最后将不同的纳米纤维复合膜以孔径尺寸和颗粒含量梯度变化的形式层合起来形成多层次多组分的纳米纤维复合膜。本发明制备的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜能够显著提高隔膜的热尺寸稳定性和耐穿刺性能。

本发明的目的之一是提供一种具有优良热尺寸稳定性和耐穿刺性能的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，是无机颗粒增强的有机纳米纤维复合膜，并且是多层的不同平均孔径、不同无机颗粒含量的纳米纤维膜的结构。

本发明的目的之二是提供一种具有优良热尺寸稳定性和耐穿刺性能的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，将不同孔径的纳米纤维膜在不同浓度的无机颗粒悬浊液中浸泡，并通过粘性材料将无机颗粒粘附在纳米纤维膜的孔径中的纤维表面，同时也将纤维膜层与层之间粘合起来。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，由3层纤维复合膜层合而成；各层纤维复合膜都为纤维上固着有纳米二氧化硅颗粒和粘性物质的蚕丝纳米纤维膜；由外至内沿厚度方向各层纤维复合膜的平均孔径递减，纳米二氧化硅颗粒含量递减；本发明在蚕丝纳米纤维膜中加入纳米二氧化硅颗粒有两种目的，其一是为了加入硬度和模量更高的无机颗粒，能够提高蚕丝纳米纤维膜的抗穿刺强度；其二是在锂离子电池充放电过程中二氧化硅粒子可以与锂枝晶发生反应，抑制锂枝晶的形成。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，所述锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的总厚度为30～60μm，锂电池对隔膜的厚度有一定的要求，厚度太大会使内阻增大，离子电导率减小，不利于电池的循环使用性能；各层纤维复合膜的厚度为10～30μm。

如上所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，所述蚕丝为桑蚕丝或柞蚕丝，蚕丝是一种生物质材料，来源广泛，同时蚕丝纤维的热稳定性能优良；所述蚕丝纳米纤维膜中的纤维的直径为320～565nm；所述纳米二氧化硅颗粒的平均直径为30～100nm；所述粘性物质为聚偏氟乙烯和硅酸盐粘胶剂的混合物质，混合质量比为8:2～7:3。

如上所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，由外至内沿厚度方向各层纤维复合膜的平均孔径为：外层3～4μm，中间层1～2μm，内层0.1～0.9μm；隔膜孔径尺寸需控制在一个合理的范围内，尺寸过大，无法对锂电池充放电过程中产生的锂枝晶起到抑制和阻抗作用；尺寸过小，不利于电解液对隔膜的浸润；采用不同尺寸的多层纤维复合膜，能够均衡隔膜的孔径尺寸，达到适中合理的效果；

由外至内沿厚度方向各层纤维复合膜的纳米二氧化硅颗粒含量为：外层8～10wt％，中间层4～6wt％，内层1～2wt％；孔径较大的纤维膜承载较多的纳米二氧化硅颗粒，这样能够保证每一层纳米纤维复合膜有机无机组分上的平衡；孔径较大时纤维密度较小，纤维含量较少，此时配有较多的纳米二氧化硅颗粒可弥补有机纤维的缺少，实现在力学性能的相互补充；同理，当纤维膜孔径较小时纤维含量较多，此时匹配较少的纳米二氧化硅颗粒含量，也能保证纤维膜在力学性能的平衡；整体上各层膜具有有机无机组分的一致性。

如上所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，所述锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为12～15.8MPa，离子电导率为1.0×10^-3～2.0×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率不超过8％。

本发明还提供了一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，将3张平均孔径不同的蚕丝纳米纤维膜各自浸泡于不同纳米二氧化硅颗粒浓度的粘性物质水溶液中，蚕丝纳米纤维膜的平均孔径越大其对应的纳米二氧化硅颗粒浓度越大，取出干燥后，按平均孔径和纳米二氧化硅颗粒含量沿厚度方向递减的形式进行叠放再热压层合即得锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，各层纤维复合膜之间都有粘合剂，但为了避免粘结不牢，产生分层现象，本发明使用热压层合将几层纤维复合膜在一定温度和压力下层合。

如上所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，所述蚕丝纳米纤维膜经静电纺丝制备，经静电纺丝制备无规取向的蚕丝纳米纤维膜，不仅能够调控蚕丝纳米纤维膜的孔径结构，还能够保证蚕丝纳米纤维膜具有较高的孔隙率，利于电池中锂离子的流通，具体步骤为：(1)制备蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为7～9wt％；(2)利用静电纺丝技术制备纳米纤维膜，接收滚筒转速为20～200rpm；(3)将纳米纤维膜进行辊压调整纤维膜的平均孔径，辊压压力为2～6MPa，对纤维膜进行辊压可以通过压力改变纤维膜的厚度和纤维膜中纤维的密度实现孔径的调整，当纤维厚度固定时，压力越大纤维膜的孔径越小。

如上所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，不同纳米二氧化硅颗粒浓度的粘性物质水溶液的制备方法是先制备粘性物质的水溶液，再将纳米二氧化硅颗粒分散在水溶液中，有利于纳米二氧化硅颗粒的均匀分散，以便纳米二氧化硅颗粒均匀吸附在蚕丝纳米纤维膜的表面均匀分布，若不采用此种方法，纳米二氧化硅颗粒随机铺洒纤维膜表面，问题一是黏附不紧密，容易脱落；二是纤维膜表面凹凸不平会导致粘合不紧密、局部厚度差异等问题；

所述水溶液中粘性物质的浓度为10wt％，纳米二氧化硅颗粒浓度为粘性物质的2～20wt％。

如上所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，所述浸泡时间为1～2h；所述干燥是指在50～80℃真空烘箱中烘2～4h；所述热压层合的温度为80～120℃，压力为2～4MPa，时间为3～5min，热压增加了纤维复合膜的紧密度，同时能控制隔膜的厚度，若压力过大，复合膜会被压烂；若压力过小，不能有效防止纤维层之间孔联通，导致发生短路等故障。

本发明通过将有机纳米纤维和无机纳米颗粒复合后再多层热压粘合后得到一种多层次多组分纤维复合膜，由于制备过程中，将有机纤维膜浸泡于纳米颗粒和粘性物质的水溶液中，纳米颗粒和粘性物质会分散到有机纤维的表面，经烘干后，无机纳米颗粒和有机纤维可经粘性物质粘结在一起，因粘结物质中的组分是有机粘结剂和无机粘结剂的混合组分，能够保证有机纤维和无机颗粒间的粘结强度，而且每层纤维膜上的粘结物质可以在热压粘合过程中将层与层之间粘结起来，可以保证多层纤维复合膜种层次间的粘结强度，共同促进每层以及整体纤维复合膜剪切强度的提高，从而提高纤维膜的耐穿刺性能。而且，生物质蚕丝纤维本身具有优越的热稳定性，无机纳米颗粒的加入也会提高所制备纤维膜的热尺寸稳定性。

同时，在制备过程中，通过调整接收滚筒转速和辊压压力可使得有机纳米纤维膜具有不同的孔径尺寸，通过调整浸泡溶液的浓度可使纳米纤维膜上具有不同的无机颗粒含量，形成当纤维密度小孔径大时纳米颗粒含量多，当纤维密度大孔径小时颗粒含量少，即沿厚度方向有机纤维的密度和无机颗粒的含量梯度变化。相比每层纤维密度和颗粒含量都一致的多层纤维膜，本发明的这种梯度变化的结构设计(多层梯度结构)，形成梯度功能纤维膜材料，不仅能够保证每层纤维膜的整体力学性能的平衡，而且能够很大程度上消除层与层之间的界面，中间层可以作为上下层的界面层消除各层的界面交叉点以及应力自由端点的应力集中，减小残余应力，具有良好的应力缓和特性，从而使得所制备的生物质纤维复合膜的耐穿刺性能提高。

有益效果

(1)本发明的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，制备方法简单，成本较低；

(2)本发明的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，材料来自于自然界，生物材料具有环保绿色的特点，制成的生物质纤维膜耐穿刺性能和热尺寸稳定性好，对锂电池隔膜的安全设计提供了新思路，极具开发前景。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、80rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、3MPa、2MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(7:3w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为4wt％、10wt％、16wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径100nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中2h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在16wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在4wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在10wt％的溶液中；取出在真空烘箱50℃烘2h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、2MPa下热压5min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度30μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为320nm，平均孔径为4.0μm，二氧化硅含量为10wt％；中间层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为336nm，平均孔径为1.9μm，二氧化硅含量为5.8wt％；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.9μm，二氧化硅含量为1.7wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为13.4MPa，离子电导率为1.3×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为4.2％。

对比例1

一种锂电池隔膜用生物质纤维膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速均为80rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力3MPa；

(2)将三张纤维膜叠放后在80℃、2MPa下热压5min进行层合。

最终制得的三层桑蚕丝纳米纤维膜的厚度为30μm，纤维直径为336nm，平均孔径为1.9μm，纤维膜的耐穿刺强度为5.6MPa，隔膜在250℃加热30min后隔膜收缩率为11.8％，离子电导率为0.8×10^-3S/cm。

将对比例1与实施例1相对比可以看出，本发明的多层纤维膜的孔径梯度变化、多层纤维膜中含有纳米颗粒和粘性物质以及多层纤维膜中纳米颗粒含量梯度变化会使耐穿刺强度，尺寸稳定温度提高，隔膜的离子电导率提高。

对比例2

一种锂电池隔膜用生物质纤维膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、80rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、3MPa、2MPa；

(2)将三张纤维复合膜按孔径沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、2MPa下热压5min进行层合。

最终制得桑蚕丝纳米纤维膜的厚度为30μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维膜厚度为10μm，纤维直径为320nm，平均孔径为4.0μm；纤维直径为336nm，平均孔径为1.9μm；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.9μm；纤维膜的耐穿刺强度为6.3MPa，隔膜在250℃加热30min后隔膜收缩率为12.0％，离子电导率为0.9×10^-3S/cm。

将对比例2与对比例1相对比可以看出，本发明的多层纤维膜的孔径梯度变化会提高膜的耐穿刺性能。

将对比例2与实施例1相对比可以看出，本发明的多层纤维复合膜中纳米二氧化硅和粘性物质的存在会显著提高膜的耐穿刺性能和热尺寸稳定性。

对比例3

一种锂电池隔膜用生物质纤维膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、80rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、3MPa、2MPa；

(2)将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于浓度为20wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(7:3w/w))的水溶液中2h，取出在真空烘箱50℃烘2h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、2MPa下热压5min进行层合。

最终制得的纤维膜厚度为30μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维膜厚度为10μm，纤维直径为320nm，平均孔径为4.0μm；纤维直径为336nm，平均孔径为1.9μm；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.9μm；纤维膜的耐穿刺强度为7.2MPa，隔膜在250℃加热30min后隔膜收缩率为10.6％，离子电导率为0.9×10^-3S/cm。

将对比例3与对比例2相对比可以看出，本发明的纤维膜中因含有粘结剂而使耐穿刺强度提高。

将对比例3与实施例1相对比可以看出，本发明的纤维复合膜中因含有纳米颗粒且多层纤维膜中纳米颗粒含量梯度变化而使耐穿刺强度和热尺寸稳定性提高。

对比例4

一种锂电池隔膜用生物质纤维膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、80rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、3MPa、2MPa；

(2)将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于不同浓度的纳米二氧化硅(平均直径100nm)水溶液中2h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在16wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在4wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在10wt％的溶液中；取出在真空烘箱50℃烘2h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、2MPa下热压5min进行层合。

最终制得的纤维复合膜由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度10μm，纤维直径为320nm，平均孔径为4.0μm，二氧化硅含量为10wt％；中间层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为336nm，平均孔径为1.9μm；二氧化硅含量为5.8wt％；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.9μm，二氧化硅含量为1.7wt％；纤维膜的耐穿刺强度为9.2MPa，离子电导率为1.0×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为8.9％。

将对比例4与实施例1相对比可以看出，本发明中的纳米纤维复合膜因含有粘结剂使得耐穿刺性能提高。

将对比例4与对比例2相对比可以看出，本发明的纤维膜中因含有纳米颗粒且多层纤维膜中纳米颗粒含量梯度变化而使耐穿刺强度和热尺寸稳定性提高。

实施例2

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、120rpm、200rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为6MPa、4MPa、3MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(7:3w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为3wt％、8wt％、14wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径100nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中2h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在14wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在3wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在8wt％的溶液中；取出在真空烘箱50℃烘2h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、4MPa下热压5min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度30μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为320nm，平均孔径为3.1μm，二氧化硅含量为8.0wt％；中间层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为336nm，平均孔径为1.1μm，二氧化硅含量为4wt％；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.1μm，二氧化硅含量为1wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度12.6MPa，离子电导率为1.1×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为6.5％。

实施例3

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、80rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、3MPa、2MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(7:3w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为3wt％、8wt％、14wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径100nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中2h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在14wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在3wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在8wt％的溶液中；取出在真空烘箱50℃烘2h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、3MPa下热压5min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度30μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为320nm，平均孔径为4μm，二氧化硅含量为8wt％；中间层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为336nm，平均孔径为1.9μm，二氧化硅含量为4.0wt％；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.9μm，二氧化硅含量为1wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为12MPa，离子电导率为1.0×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为4.9％。

实施例4

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为40rpm、100rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、3MPa、2MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(7:3w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为5wt％、12wt％、15wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径100nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中2h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在15wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在5wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在12wt％的溶液中；取出在真空烘箱50℃烘2h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、2MPa下热压5min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度60μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为320nm，平均孔径为3.5μm，二氧化硅含量为9.2wt％；中间层纤维复合膜厚度为20μm，纤维直径为336nm，平均孔径为1.7μm，二氧化硅含量为5.3wt％；内层纤维复合膜厚度为30μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.8μm，二氧化硅含量为1.6wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为14.6MPa，离子电导率为1.8×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为8.0％。

实施例5

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将桑蚕茧进行脱胶溶解，制备桑蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为9wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为40rpm、100rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为6MPa、2MPa、2MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(7:3w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为5wt％、12wt％、15wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径100nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中2h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在15wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在5wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在12wt％的溶液中；取出在真空烘箱50℃烘2h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在80℃、2MPa下热压5min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度60μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为20μm，纤维直径为320nm，平均孔径为3μm，二氧化硅含量为8.9wt％；中间层纤维复合膜厚度为20μm，纤维直径为336nm，平均孔径为2.0μm，二氧化硅含量为4.8wt％；内层纤维复合膜厚度为20μm，纤维直径为325nm，平均孔径为0.5μm，二氧化硅含量为1.9wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为14.3MPa，离子电导率为1.7×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为6.2％。

实施例6

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将柞蚕茧进行去矿化脱胶溶解，制备柞蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为7wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、100rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、3MPa、2MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(7:3w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为2wt％、10wt％、16wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径100nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中1h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在16wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在2wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在10wt％的溶液中；取出在真空烘箱80℃烘4h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在120℃、4MPa下热压3min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度50μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为565nm，平均孔径为4μm，二氧化硅含量为8.5wt％；中间层纤维复合膜厚度为30μm，纤维直径为536nm，平均孔径为1.5μm，二氧化硅含量为4.2wt％；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为525nm，平均孔径为0.8μm，二氧化硅含量为1.0wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为15.2MPa，离子电导率为1.8×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为3.8％。

实施例7

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将柞蚕茧进行去矿化脱胶溶解，制备柞蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为7wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、100rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、4MPa、3MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(8:2w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为4wt％、10wt％、20wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径30nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中2h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在20wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在4wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在10wt％的溶液中；取出在真空烘箱80℃烘4h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在120℃、2MPa下热压3min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度60μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为565nm，平均孔径为3.5μm，二氧化硅含量为9.2wt％；中间层纤维复合膜厚度为20μm，纤维直径为536nm，平均孔径为1.7μm，二氧化硅含量为5.3wt％；内层纤维复合膜厚度为30μm，纤维直径为525nm，平均孔径为0.8μm，二氧化硅含量为1.6wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为15.8MPa，离子电导率为2.0×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为4.1％。

实施例8

一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，具体步骤如下：

(1)将柞蚕茧进行去矿化脱胶溶解，制备柞蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为7wt％，利用静电纺丝技术制备三张蚕丝纳米纤维膜，三张膜的接收滚筒的转速分别为20rpm、100rpm、150rpm；再利用辊压机对三张膜进行辊压，辊压压力分别为4MPa、6MPa、3MPa；

(2)制备浓度为10wt％的粘性物质(丁苯橡胶和硅酸盐粘胶剂(8:2w/w))的水溶液三份，将占粘性物质为2wt％、10wt％、18wt％的纳米二氧化硅颗粒(平均直径30nm)分别分散在上述三份水溶液中；再将上述三张纳米纤维膜分别浸泡于上述溶液中1h，将孔径最大的一张纤维膜浸泡在18wt％的溶液中，孔径最小的一张纤维膜浸泡在2wt％的溶液中，剩余一张纤维膜浸泡在10wt％的溶液中；取出在真空烘箱80℃烘4h制备出三张纤维复合膜；

(3)将三张纤维复合膜按孔径和纳米颗粒的含量沿厚度方向递减的形式进行叠放，在120℃、4MPa下热压3min进行层合。

最终制得的锂电池隔膜用生物质纤维复合膜总厚度30μm，由三层纤维复合膜层合而成，外层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为565nm，平均孔径为3.6μm，二氧化硅含量为8wt％；中间层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为536nm，平均孔径为1.0μm，二氧化硅含量为4.0wt％；内层纤维复合膜厚度为10μm，纤维直径为525nm，平均孔径为0.7μm，二氧化硅含量为1.0wt％；锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为13.7MPa，离子电导率为1.3×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率为3.6％。

Claims (9)

1.一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，其特征是：由3层纤维复合膜层合而成；各层纤维复合膜都为纤维上固着有纳米二氧化硅颗粒和粘性物质的蚕丝纳米纤维膜；由外至内沿厚度方向各层纤维复合膜的平均孔径递减，纳米二氧化硅颗粒含量递减。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，其特征在于，各层纤维复合膜的厚度为10～30μm。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，其特征在于，所述蚕丝为桑蚕丝或柞蚕丝；所述蚕丝纳米纤维膜中的纤维的直径为320～565nm；所述纳米二氧化硅颗粒的平均直径为30～100nm；所述粘性物质为聚偏氟乙烯和硅酸盐粘胶剂的混合物质，混合质量比为8:2～7:3。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，其特征在于，由外至内沿厚度方向各层纤维复合膜的平均孔径为：外层3～4μm，中间层1～2μm，内层0.1～0.9μm；

由外至内沿厚度方向各层纤维复合膜的纳米二氧化硅颗粒含量为：外层8～10wt％，中间层4～6wt％，内层1～2wt％。

5.根据权利要求1所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜，其特征在于，所述锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的耐穿刺强度为12～15.8MPa，离子电导率为1.0×10^-3～2.0×10^-3S/cm，在250℃加热30min后隔膜收缩率不超过8％。

6.如权利要求1～5中任一项所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，其特征是：将3张平均孔径不同的蚕丝纳米纤维膜各自浸泡于不同纳米二氧化硅颗粒浓度的粘性物质水溶液中，蚕丝纳米纤维膜的平均孔径越大其对应的纳米二氧化硅颗粒浓度越大，取出干燥后，按平均孔径和纳米二氧化硅颗粒含量沿厚度方向递减的形式进行叠放再热压层合即得锂电池隔膜用生物质纤维复合膜。

7.根据权利要求6所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，其特征在于，所述蚕丝纳米纤维膜经静电纺丝制备，具体步骤为：(1)制备蚕丝纺丝溶液，溶液浓度为7～9wt％；(2)利用静电纺丝技术制备纳米纤维膜，接收滚筒转速为20～200rpm；(3)将纳米纤维膜进行辊压调整纤维膜的平均孔径，辊压压力为2～6MPa。

8.根据权利要求6所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，其特征在于，不同纳米二氧化硅颗粒浓度的粘性物质水溶液的制备方法是先制备粘性物质的水溶液，再将纳米二氧化硅颗粒分散在水溶液中；

所述水溶液中粘性物质的浓度为10wt％，纳米二氧化硅颗粒浓度为粘性物质的2～20wt％。

9.根据权利要求6所述的一种锂电池隔膜用生物质纤维复合膜的制备方法，其特征在于，所述浸泡时间为1～2h；所述干燥是指在50～80℃真空烘箱中烘2～4h；所述热压层合的温度为80～120℃，压力为2～4MPa，时间为3～5min。