CN112072049B - 一种锂电池复合隔膜及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池复合隔膜及其制备工艺，包括基膜和涂布膜，所述基膜的表面设置有涂布膜，所述涂布膜由陶瓷浆料制成，所述陶瓷浆料包括以下组分：纳米颗粒、聚乙烯醇、丁苯橡胶，所述纳米颗粒包括二氧化硅和勃姆石。本发明通过对电池复合隔膜中涂布膜组分及其比例、制备工艺及其工艺参数的设置，在陶瓷浆料对基膜进行涂布后，制得电池复合隔膜，能够提高电池复合隔膜的离子电导率，并降低膜的界面阻力，改善膜的综合性能，适合广泛推广与使用。

Description

一种锂电池复合隔膜及其制备工艺

技术领域

本发明涉及电池复合隔膜领域，具体是一种锂电池复合隔膜及其制备工艺。

背景技术

随着电动汽车和便携式电子设备的日益普及，锂离子电池有望在高功率密度下实现高能量密度。锂电池的性能很大程度上取决于电极材料和隔膜的性能，近年来，最常用的电池复合隔膜材料是聚烯烃，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及复合物，由于电解液润湿性差，热稳定性相对较低，聚烯烃隔膜作为大功率电池复合隔膜的应用受到限制，因聚烯烃基膜性能方面的局限性，隔膜厂家普遍会在基膜基础上通过涂布氧化铝或勃姆石等方法来改善其性能，但仍存在隔膜离子电导率不足，涂布浆料与隔膜粘结力不佳的缺陷，无法满足人们对电池复合隔膜性能的需求。因此，我们提出一种锂电池复合隔膜及其制备工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂电池复合隔膜及其制备工艺，以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种锂电池复合隔膜及其制备工艺，包括基膜和涂布膜，所述基膜的表面设置有涂布膜，所述涂布膜由陶瓷浆料制成，所述陶瓷浆料包括以下组分：纳米颗粒、聚乙烯醇、丁苯橡胶，所述纳米颗粒包括二氧化硅和勃姆石。

在上述技术方案中，陶瓷浆料中含有二氧化硅和勃姆石，其中二氧化硅能够降低所制电池复合隔膜的界面阻力，勃姆石能够提高所制电池复合隔膜的离子电导率；陶瓷浆料中的聚乙烯醇和丁苯橡胶共同作用时，可作为粘结剂将所制涂布膜与基膜粘结，且因聚乙烯醇自身的粘性，使得涂布膜固定于基膜表面，能够抑制电池复合隔膜的变形，从而提高热稳定性，并能够在一定程度上提高机械强度。

作为本发明的一种优选实施方式，所述二氧化硅与勃姆石的质量比为(1：2)～(2:1)。

在上述技术方案中，确定了陶瓷浆料中二氧化硅与勃姆石之间的比例，二者混合制得的电池复合隔膜在改善隔膜离子电导率和界面阻力的同时，提高了所制锂电池的性能。

作为本发明的一种优选实施方式，所述聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为(4:5)～(1:1)。

在上述技术方案中，聚乙烯醇与丁苯橡胶能够作为粘结剂，提高所制涂布膜与基膜间的粘结力，且聚乙烯醇制得涂布膜后，其强度和耐溶剂性能较好，丁苯橡胶具有良好的耐水性和耐老化性能，提高所制涂布膜的综合性能。

作为本发明的一种优选实施方式，所述纳米颗粒的粒径为0.3～0.7μm。

在上述技术方案中，确定了纳米颗粒的粒径，控制晶粒尺寸大小，使得所制涂布膜的电阻较小，电池复合隔膜的离子电导率较大，纳米颗粒的粒径大小会对基膜的微孔造成影响，纳米颗粒的粒径较大易造成基膜微孔的堵塞，导致电池中的锂离子无法穿过电池复合隔膜，电池无法进行正常工作。

作为本发明的一种优选实施方式，所述锂电池复合隔膜的厚度为9μm～16μm。

作为本发明的一种优选实施方式，所述基膜包括以下重量组分：所述基膜包括以下重量组分：65～78份聚对苯二甲酸乙二醇酯、7～12份尼龙6、5～8份聚丙烯、5～9份聚芳酯、0.5～1.5份马来酸酐、0.1～0.5份二氧化硅、0.8～2份氨基改性聚二甲基硅氧烷。

在上述技术方案中，聚对苯二甲酸乙二醇酯具有较为优异的机械性能、热力学性能和电绝缘性能，所制得的基膜能够表现较好的耐热性，聚丙烯综合性能较好，所制膜层具备较好的物理稳定性、机械强度，聚芳酯的综合性能优越且耐高温性和尺寸稳定性较好，二氧化硅能够降低所制基膜的结晶度和亲水性，并提高其孔隙率、力学性能和热稳定性，各组分配合所制的电池复合隔膜综合性能优异，所制基膜和涂布膜中均具有纳米级二氧化硅，在锂电池使用时能够缓解锂金属枝晶生长，防止枝晶刺入隔膜发生反应，带来安全隐患。

一种锂电池复合隔膜的制备工艺，包括以下步骤：

1)制备基膜：取基膜原料制备得到基膜；

2)制备陶瓷浆料：取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得混合溶液，加入纳米颗粒，于高速搅拌机中搅拌制得陶瓷浆料；

3)制备复合隔膜：取基膜预热，并在其上涂布陶瓷浆料，加热烘干，制得成品复合隔膜。

作为本发明的一种优选实施方式，包括以下步骤：

1)制备基膜：

取基膜原料制备得到基膜；

2)制备陶瓷浆料：

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为0.8～1.2wt％的混合溶液，然后置于高速搅拌机中搅拌1～2h，搅拌速度为300～400r/min，制得陶瓷浆料；

3)制备复合隔膜：

取基膜置于放卷装置上，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为25～90℃，然后取陶瓷浆料以浸涂或辊涂的方式对基膜进行涂布，涂布厚度为3μm～4μm，牵引至烘箱中于50～100℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜。

在上述技术方案中，取聚乙烯醇、丁苯橡胶溶于纯水，制得水性粘结剂，加入纳米陶瓷颗粒制得陶瓷浆料，并涂布于基膜上，制得复合隔膜，利用陶瓷浆料中组分的各项性质提高所制电池复合隔膜的离子电导率，并降低隔膜的界面阻力，改善隔膜的综合性能。

作为本发明的一种优选实施方式，所述步骤1)包括以下步骤：

取尼龙6于90～110℃烘箱内干燥，放入反应釜中，加入N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、甘油并混合均匀，于230～270℃温度下进行反应，制得产物A；

取聚丙烯，加入马来酸酐、过氧化二异丙苯和硬脂酸，搅拌混合5～8min，升温至190～220℃进行反应，制得产物B；

取聚对苯二甲酸乙二醇酯，加入1,4-环己烷二甲醇、N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、产物A、产物B混合均匀，升温至220～235℃，搅拌5～12min，制得产物C；

在上述技术方案中，甘油的添加能够达到对尼龙6进行增速的效果，提高尼龙6的韧性，N-噁唑啉苯基马来酰亚胺能够提高聚合物的耐热性并延长尼龙6的分子链，提高尼龙6的力学性能；聚丙烯接枝马来酸酐，能够提高聚丙烯与其他物料间的相容性，确保所制基膜与涂布膜间的附着力；1,4-环己烷二甲醇，提高聚对苯二甲酸乙二醇酯的结晶温度，降低结晶度，能够提高所制电池复合隔膜的机械强度，体系的自由体积增加，同时提高其离子电导率，同时聚对苯二甲酸乙二醇酯与产物A共混，获得力学性能和韧性均较为优异的基膜物料，提高所制基膜的尺寸稳定性。

取氨基改性聚二甲基硅氧烷溶于二氯甲烷，加入二氧化硅，升温至70～80℃，保温并搅拌，制得产物D；加入聚芳酯，于氮气氛围中加入4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺，搅拌12～24h，制得产物E；

在上述技术方案中，使用氨基改性聚二甲基硅氧烷对二氧化硅进行处理，改善二氧化硅与物料间的界面性能，消除二氧化硅的团聚现象，提高二氧化硅在物料中的分散度，加入聚对苯二甲酸乙二醇酯中后，能够提高体系的结晶温度，降低结晶度，能够提高所制电池复合隔膜的机械强度，体系的自由体积增加，同时提高其离子电导率；

聚芳酯中含有羧基，氨基改性聚二甲基硅氧烷中含有氨基，二者反应将聚芳酯和氨基改性聚二甲基硅氧烷结合，生成嵌合有二氧化硅的聚合物，其聚合物具有聚芳酯的高热稳定性和力学性能，能够提高与其他物料间的粘结性，同时具有氨基改性聚二甲基硅氧烷的良好低温柔韧性和低表面张力。

取产物C、产物E混合均匀，置于双螺杆挤出机中于190～280℃温度下进行混炼后挤出，于室温中冷却，并进行干燥后制得基膜原料；取基膜原料流延成膜并进行干法双向拉伸，制得基膜。

在上述技术方案中，各组分物料于双螺杆挤出机中反应聚合，其中改性聚酯B与改性聚芳酯E的结合能够提高所制基膜的机械强度、低温柔韧性和耐热性能，改性聚酯B与改性聚丙烯C的结合能够达到基膜增韧、提高尺寸稳定性的效果，改性聚芳酯E自身交联能够提高基膜的抗皱、防缩能力，综合提升基膜的各项性能，为电池的使用提供保障。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明的锂电池复合隔膜及其制备工艺，通过对电池复合隔膜中涂布膜组分及其比例、制备工艺及其工艺参数的设置，使得所制陶瓷浆料对基膜进行涂布后，制得电池复合隔膜，能够提高电池复合隔膜的离子电导率，并降低膜的界面阻力，改善膜的综合性能。

具体实施方式

下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为0.8wt％的混合溶液，聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为4:5，加入纳米颗粒，纳米颗粒中二氧化硅与勃姆石的质量比为1:1，然后置于高速搅拌机中搅拌1h，搅拌速度为300r/min，制得陶瓷浆料；

取PET基膜置于放卷装置上，基膜材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为25℃，然后取陶瓷浆料对基膜进行涂布，牵引至烘箱中于50℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜。

实施例2

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为1.0wt％的混合溶液，聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为9:10，加入纳米颗粒，纳米颗粒中二氧化硅与勃姆石的质量比为1:1，然后置于高速搅拌机中搅拌1.5h，搅拌速度为350r/min，制得陶瓷浆料；

取PET基膜置于放卷装置上，基膜材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为57℃，然后取陶瓷浆料对基膜进行涂布，牵引至烘箱中于75℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜。

实施例3

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为1.2wt％的混合溶液，聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为1:1，加入纳米颗粒，纳米颗粒中二氧化硅与勃姆石的质量比为1:1，然后置于高速搅拌机中搅拌2h，搅拌速度为400r/min，制得陶瓷浆料；

取PET基膜置于放卷装置上，基膜材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为90℃，然后取陶瓷浆料对基膜进行涂布，牵引至烘箱中于100℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜。

对比例1

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为1.0wt％的混合溶液，聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为9:10，加入纳米颗粒，纳米颗粒中二氧化硅与勃姆石的质量比为2:1，然后置于高速搅拌机中搅拌1.5h，搅拌速度为350r/min，制得陶瓷浆料；

取PET基膜置于放卷装置上，基膜材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为57℃，然后取陶瓷浆料对基膜进行涂布，牵引至烘箱中于75℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜。

对比例2

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为1.0wt％的混合溶液，聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为9:10，加入纳米颗粒，纳米颗粒中二氧化硅与勃姆石的质量比为1:2，然后置于高速搅拌机中搅拌1.5h，搅拌速度为350r/min，制得陶瓷浆料；

取PET基膜置于放卷装置上，基膜材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为57℃，然后取陶瓷浆料对基膜进行涂布，牵引至烘箱中于75℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜。

对比例3

取尼龙6于100℃烘箱内干燥，放入反应釜中，加入N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、甘油并混合均匀，于250℃温度下进行反应，制得产物A；取聚丙烯，加入马来酸酐、过氧化二异丙苯和硬脂酸，搅拌混合6min，升温至205℃进行反应，制得产物B；取聚对苯二甲酸乙二醇酯，加入1,4-环己烷二甲醇、N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、产物A、产物B混合均匀，升温至227℃，搅拌8min，制得产物C；取氨基改性聚二甲基硅氧烷溶于二氯甲烷，加入二氧化硅，升温至75℃，保温并搅拌，制得产物D；加入聚芳酯，于氮气氛围中加入4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺，搅拌18h，制得产物E；取产物C、产物E混合均匀，置于双螺杆挤出机中于235℃温度下进行混炼后挤出，于室温中冷却，并进行干燥后制得基膜原料；取基膜原料流延成膜并进行干法双向拉伸，制得基膜；

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为1.0wt％的混合溶液，聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为9:10，加入纳米颗粒，纳米颗粒中二氧化硅与勃姆石的质量比为1:1，然后置于高速搅拌机中搅拌1.5h，搅拌速度为350r/min，制得陶瓷浆料；

取基膜置于放卷装置上，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为57℃，然后取陶瓷浆料对基膜进行涂布，牵引至烘箱中于75℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜。

对比例4

取尼龙6于100℃烘箱内干燥，放入反应釜中，加入N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、甘油并混合均匀，于250℃温度下进行反应，制得产物A；取聚丙烯，加入马来酸酐、过氧化二异丙苯和硬脂酸，搅拌混合6min，升温至205℃进行反应，制得产物B；取聚对苯二甲酸乙二醇酯，加入1,4-环己烷二甲醇、N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、产物A、产物B混合均匀，升温至227℃，搅拌8min，制得产物C；取氨基改性聚二甲基硅氧烷溶于二氯甲烷，加入二氧化硅，升温至75℃，保温并搅拌，制得产物D；加入聚芳酯，于氮气氛围中加入4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺，搅拌18h，制得产物E；取产物C、产物E混合均匀，置于双螺杆挤出机中于235℃温度下进行混炼后挤出，于室温中冷却，并进行干燥后制得基膜原料；取基膜原料流延成膜并进行干法双向拉伸，制得电池隔膜。

实验：

与实施例1相比，实施例2与实施例3的工艺参数不同；

与实施例1相比，对比例1与对比例2中二氧化硅与勃姆石的质量比不同；

与实施例2相比，对比例3对基膜进行改性；

与对比例3相比，对比例4中未涂布陶瓷浆料；

取实施例1-7、对比例中得到的电池复合隔膜与普通涂覆电池复合隔膜，制得试样，分别对其离子电导率、界面阻抗、尺寸稳定性进行测试并记录检测结果：

其中，离子电导率通过交流阻抗法测试电池复合隔膜体系，得到隔膜的本体电阻R，而后根据公式σ＝d/R*S，d为试样长度，S为试样的截面积，计算得到离子电导率，其单位为mS/cm；

界面阻抗测试：在室温下，对夹在两个不锈钢电极之间的液态电解质浸泡的试样进行阻抗测量，频率范围为1Hz～1MHz，取频率为5KHz，交流振幅为10mV进行测试，界面阻抗单位为ohm·cm²；

尺寸稳定性测试为：取试样标注其纵向和横向，于室温25℃测量试样四边的原始长度L1，然后放入预热后的烘箱内进行保温，烘箱温度为150℃，保温时间为30min，取出试样冷却至室温25℃，再次测量试样四边的长度L2，所得数据的变化率即为热收缩率，其单位为％；

力学性能以力学性能电池隔膜的以拉伸强度为指标，利用万能试验机于25℃温度下对电池隔膜的拉伸强度进行测试，其单位为MPa。

根据上表中的数据，可以清楚得到以下结论：

实施例1-3、对比例1-4与PET隔膜、普通电池复合隔膜形成对比，检测结果可知，实施例1-3与普通电池复合隔膜相比，其离子电导率有显著提高，界面阻抗明显下降，且对比例3与实施例1-3相比，其离子电导率有显著提高，界面阻抗明显下降，对比例1与实施例2相比，其离子电导率和界面阻抗下降，对比例2与实施例2相比，其离子电导率和界面阻抗提高，对比例4与PET隔膜相比，其离子电导率明显提高，界面阻抗明显下降，这充分说明了本发明能够提高电池复合隔膜的离子电导率，并降低其界面阻抗，纳米颗粒中勃姆石与二氧化硅的比例能够对所制电池复合隔膜的离子电导率和其界面阻抗造成影响，限定勃姆石与二氧化硅的比例能够使电池复合隔膜的离子电导率和其界面阻抗达到平衡，且对基膜的改性亦能够改善电池复合隔膜的离子电导率和其界面阻抗，其效果稳定，具有较高实用性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (2)

1.一种锂电池复合隔膜的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备基膜：

取尼龙6于90～110℃烘箱内干燥，放入反应釜中，加入N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、甘油并混合均匀，于230～270℃温度下进行反应，制得产物A；

取聚丙烯，加入马来酸酐、过氧化二异丙苯和硬脂酸，搅拌混合5～8min，升温至190～220℃进行反应，制得产物B；

取聚对苯二甲酸乙二醇酯，加入1,4-环己烷二甲醇、N-噁唑啉苯基马来酰亚胺、产物A、产物B混合均匀，升温至220～235℃，搅拌5～12min，制得产物C；

取氨基改性聚二甲基硅氧烷溶于二氯甲烷，加入二氧化硅，升温至70～80℃，保温并搅拌，制得产物D；加入聚芳酯，于氮气氛围中加入4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺，搅拌12～24h，制得产物E；

取产物C、产物E混合均匀，置于双螺杆挤出机中于190～280℃温度下进行混炼后挤出，于室温中冷却，并进行干燥后制得基膜原料；取基膜原料流延成膜并进行干法双向拉伸，制得基膜；

2)制备陶瓷浆料：

取聚乙烯醇、丁苯橡胶加入纯水，制得浓度为0.8～1.2wt％的混合溶液，加入纳米颗粒，然后置于高速搅拌机中搅拌1～2h，搅拌速度为300～400r/min，制得陶瓷浆料；

3)制备复合隔膜：

取基膜置于放卷装置上，牵引至预热烘箱中进行预热，预热温度为25～90℃，然后取陶瓷浆料以浸涂或辊涂的方式对基膜进行涂布，涂布厚度为3μm～4μm，牵引至烘箱中于50～100℃温度下进行加热，制得成品复合隔膜；

所述二氧化硅与勃姆石的质量比为(1：2)～(2:1)；所述聚乙烯醇与丁苯橡胶的质量比为(4:5)～(1:1)；所述纳米颗粒的粒径为0.3～0.7μm。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池复合隔膜的制备工艺，其特征在于：所述锂电池复合隔膜的厚度为9μm～16μm。