CN112787038A - 一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法及纺丝隔膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法及纺丝隔膜，属于锂离子电池技术领域，其特征在于，所述锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法至少包括：S1、在隔膜表面喷涂热压助剂；S2、对上述隔膜进行烘干；S3、对上述隔膜经过多次反复折叠；S4、采用热辊压法压制上述隔膜，在预设的辊压温度、辊压速度下，以预设辊压力压制隔膜；S5、将上述隔膜进行后续烘干，彻底除去水分；S6、对上述隔膜进行快冷处理，并进行形状定型。本发明利用静电纺丝制备了隔膜后，通过添加热压助剂，在高温实现软熔和粘结，对隔膜进行热压，实现隔膜的致密化、均匀化，并提高隔膜的拉伸强度。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法及纺丝隔膜。
背景技术
众所周知，锂离子电池从结构上可分正负极、隔膜和电解液，隔膜主要作用是将电池正、负极隔开，防止电极接触而发生内部短路。隔膜决定了锂离子电池的界面特性、内阻、电池容量等，其性能的好坏在很大程度上影响了电池的循环寿命、充放电性能以及安全性。合格的电池隔膜，必须具备以下性质:
1、电子绝缘性，以确保正极、负极材料的物理隔开，防止电池内部短路；
2、合适的孔径及孔径分布，在充、放电过程中对锂离子有良好的透过性，以确保低电阻和高离子传导率；
3、化学稳定性，确保隔膜在使用期间不被电解液腐蚀和反应；
4、电化学稳定性，以维持电池的正常使用；
5、良好的电解液的浸润性，有足够的保液率、吸液率和离子导电性；
6、适当的力学性能，包括穿刺强度、拉伸强度等；
7、合适的厚度，以获得较低的内阻；
8、良好的热稳定性和热关闭性能，以确保电池使用过程中的安全性。
按照锂离子电池隔膜的成型材料，可将其分为三大类：聚烯烃微孔膜、纤维基锂离子电池隔膜(无纺布膜)和有机/无机复合膜。现有应用最广的商业用隔膜主要是以聚乙烯与聚丙烯为主的微孔聚烯烃隔膜。
由于超细纤维的优良性能，人们对其制造方法进行了广泛的研究。但是，用传统的纺丝方法很难纺出直径小于500nm的纤维。相对而言，静电纺丝技术则能够纺出超细的纤维，直径最小可达到1nm。与普通纺织品相比，采用静电纺丝法制得的无纺布隔膜具有孔径小、比表面积大、吸附力强、孔隙率高等特点。静电纺丝的操作简单、成本低、原料和产品具有可设计性，而且能满足连续、大批量地生产纳米纤维的要求。静电纺丝法制备隔膜易于制备各种共混(有机/无机)、皮芯结构的无纺布。除了可以直接用作隔膜外，还可以用于制备凝胶型电解质，既起到了隔膜的作用又起到了电解质的作用。
目前在制备纺丝隔膜方面已经做了大量的工作。CN107316966A公布了一种用于磷酸铁锂电池的纳米静电纺丝隔膜及其制备方法和压浸模具，包括纳米静电纺丝基膜和网格状筋。CN109449357A公布了一种由多层通过静电纺丝获得的纤维重叠组成的锂电池隔膜。CN105355818A公布了一种结构包括上层纳米纤维膜层、中间层纳米纤维素凝胶层和下层纳米纤维膜层，利用静电纺丝法和溶胶凝胶组合方法制备成一种包含三层结构的复合型纳米纤维锂电池隔膜。CN106099014A提供了一种纤维基锂电池隔膜的制备方法，提高了膜的电极亲和力。CN109244342A公开了一种锂电池复合隔膜，具有耐温性好、电解液亲和性好、吸液率和保液率较高、尺寸耐热性能好等优点。但现有的方法无法实现隔膜厚度较薄的同时，还有良好的机械性能或其他必要性能。纳米纤维之间不粘结，隔膜力学性能差，且静电纺丝法制备的无纺布膜很少有自闭性能(锂离子电池的自关闭效应是指：在电池发生短路或温度升高时，隔膜能迅速熔融遮蔽微孔达到断电的作用。这样可以防止电能的泄露和温度的升高，从而避免因温度过高而发生的危险情况)。故对静电纺丝所制得的隔膜进行后处理就显得非常必要紧迫。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题，提供一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法及纺丝隔膜，利用静电纺丝制备了隔膜后，通过添加热压助剂，在高温实现软熔和粘结，对隔膜进行热压，实现隔膜的致密化、均匀化，并提高隔膜的拉伸强度。
本发明的第一目的是提供一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，至少包括：
S1、在隔膜表面喷涂热压助剂；
S2、对上述隔膜进行烘干；
S3、对上述隔膜经过多次反复折叠；
S4、采用热辊压法压制上述隔膜，在预设的辊压温度、辊压速度下，以预设辊压力压制隔膜；
S5、将上述隔膜进行后续烘干，彻底除去水分；
S6、对上述隔膜进行快冷处理，并进行形状定型。
优选地：所述热压助剂为水溶性溶液，在隔膜表面通过雾化进行喷洒热压助剂。
优选地：所述热压助剂为聚乙烯乳液，聚乙烯乳液的水溶液浓度为0.1～5wt％，在隔膜的表面喷涂量为1～10g/m2。
优选地：在S2中，烘干1的温度范围是60℃～90℃，烘干的时间为10～60秒。
优选地：在S3中，折叠次数为2～5次。
优选地：在S4中，采用304不锈钢材质的压辊对隔膜进行压制，压辊的表面抛光成镜面，所述热辊压法的辊面温度为100℃～180℃，辊压速度为0.01～5m/min，施加于辊上的压力为100N～4000N，辊径为200mm～800mm。
优选地：在S5中，采用空气气氛下烘干，烘干的温度范围是80℃～120℃，隔膜烘干时间为10～60秒。
优选地：在S6中，采用冷冻箱或者干冰制冷，制冷温度范围为-40℃～-20℃，隔膜处理时间为10～300秒。
本发明的第二目的是提供一种纺丝隔膜，由上述锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法制备得到。
本发明具有的优点和积极效果是：
通过采用上述技术方案：本发明以聚乙烯乳液作为热压助剂，采用热辊压法对隔膜进行压制，增强了纤维之间的结合力，提高了隔膜的拉伸强度。本发明通过多次的折叠，有效消除了隔膜表面空洞、针孔、皱褶等缺陷，实现了表面质量的均匀化。同时使隔膜更加致密，力学性能更加优良。处理之后的纺丝隔膜的抗拉强度提高，拉伸强度较未处理的样品提高10倍以上，可用于圆柱锂离子电芯的高速卷绕。本发明的热压助剂聚乙烯材料，可以在电池热失控时的高温条件下融化，堵塞隔膜的空隙，形成闭孔机制，有效提高锂离子电池体系的安全性。
附图说明
图1为经过第一实施例处理后隔膜表面的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，包括：
步骤一、在隔膜表面喷涂热压助剂。该助剂可以在后续的高温热压时软融，冷却后可以显著增强纤维之间的粘结力，提高隔膜的拉伸强度。同时，该助剂可以在更高的温度下融化，实现隔膜的闭孔机制。
步骤二、热压助剂为水溶性溶液。在隔膜表面通过雾化进行喷洒。隔膜吸附了适当含量的热压助剂物质后，进行烘干。
步骤三、步骤二制得的隔膜经过多次反复折叠，实现均匀化，消除表面缺陷。
步骤四、采用热辊压法压制隔膜，在一定辊压温度、辊压速度下，以一定辊压力压制隔膜，减小隔膜的厚度，提高压实密度，实现隔膜的致密化。
步骤五、将辊压后的隔膜进行后续烘干，彻底除去水分。
步骤六、最后对隔膜进行快冷处理，以消除应力与高温缺陷，并进行形状定型。
在上述技术方案的基础上：
上述步骤一中所述的热压助剂，优选聚乙烯乳液。本发明所使用的的聚乙烯乳液，其水溶液浓度为0.1～5wt％。在隔膜的表面喷涂量1～10g/m2。
上述步骤二中，烘干的工艺一般是采用60～90℃烘干，烘干时间为10～60秒。
上述步骤三中，折叠次数一般为2～5次。
上述步骤四中，所述的压辊优先选择304不锈钢材质，表面抛光成镜面。热辊压法的辊面温度一般为100～180℃，辊压速度0.01～5m/min，施加于辊上的压力为100N～4000N，辊径为200～800mm。
上述步骤五中所述的烘干，采用空气气氛下烘干，烘干的工艺一般是采用80～120℃烘干，隔膜烘干时间为10～60秒。
上述步骤六中所述的快冷处理，优选压缩机制冷的冷冻箱，或者干冰制冷，制冷温度设定为-40℃～-20℃，隔膜处理时间为10～300秒。
第一优选实施例：
一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，包括：
S101、在静电纺丝制备的聚苯醚纳米纤维锂电隔膜上喷涂重量百分比为0.5wt％的聚乙烯乳液，在隔膜的表面喷涂量为2g/m2，喷洒均匀。
S102、将S101中已经吸附了合适含量聚乙烯乳液的隔膜，在70℃N2氛围下烘干50秒。
S103、将经过烘干的隔膜反复折叠3次，以通过均匀化，消除表面缺陷。
S104、将折叠后的隔膜进行热辊压处理，其中辊压面的温度控制在180℃，控制辊压速度为0.8m/min，辊压力为500N左右，辊径400mm。
S105、将辊压后的隔膜在80℃的空气氛围下进行烘干50秒。
S106、最后在压缩机制冷的冷却箱中进行快冷处理，制冷温度设置为-40℃，冷却200秒，干燥，室温下静置24h。
经过本工艺后处理的纺丝隔膜，拉伸强度可达980kg/cm2(较未处理的样品提高10倍)，抗穿刺强度值在359g，隔膜平均孔径50nm，孔隙率为92％，隔膜厚度为16μm。
附图1为经过实施例1处理的隔膜表面的扫描电子显微镜照片。
第二优选实施例：
一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，包括：
S201、在静电纺丝制备的聚苯醚纳米纤维锂电隔膜上喷涂重量百分比为2wt％的聚乙烯乳液，在隔膜的表面喷涂量为3g/m2，喷洒均匀。
S202、将S201中已经吸附了合适含量聚乙烯乳液的隔膜，在70℃N2氛围下烘干50秒。
S203、将经过烘干的隔膜反复折叠3次，以通过均匀化，消除表面缺陷。
S204、将折叠后的隔膜进行热辊压处理，其中辊压面的温度控制在180℃，控制辊压速度为1m/min，辊压力为400N左右，辊径400mm。
S205、将辊压后的隔膜在100℃的空气氛围下进行烘干50秒。
S206、最后在压缩机制冷的冷却箱中进行快冷处理，制冷温度设置为-30℃，冷却200秒，干燥，室温下静置24h。
经过本工艺后处理的纺丝隔膜，拉伸强度可达1120kg/cm2(较未处理的样品提高11倍)，抗穿刺强度值在510g，平均孔径55nm，孔隙率为95％，隔膜厚度为19μm。
第三优选实施例：
一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，包括：
一种提高纺丝隔膜各项性能指标的后处理方法，方法如下：
S301、在静电纺丝制备的聚苯醚纳米纤维锂电隔膜上喷涂重量百分比为4wt％的聚乙烯乳液，在隔膜的表面喷涂量为4g/m2，喷洒均匀。
S302、将S301中已经吸附了合适含量聚乙烯乳液的隔膜，在70℃N2氛围下烘干50秒。
S303、将经过烘干的隔膜反复折叠3次以通过均匀化，消除表面缺陷。
S304、将折叠后的隔膜进行热辊压处理，其中辊压面的温度控制在160℃，控制辊压速度为2m/min，辊压力为600N左右，辊径为400mm。
S305、将辊压后的隔膜在120℃的空气氛围下进行烘干30秒。
S306、最后在压缩机制冷的冷却箱中进行快冷处理，制冷温度设置为-20℃，冷却100秒，干燥，室温下静置24h。
经过本工艺处理的纺丝隔膜，拉伸强度可达1250kg/cm2(较未处理的样品提高12倍)，抗穿刺强度值在496g，平均孔径46nm，孔隙率为96.7％，隔膜厚度为15μm。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于，至少包括：
S1、在隔膜表面喷涂热压助剂；
S2、对上述隔膜进行烘干；
S3、对上述隔膜经过多次反复折叠；
S4、采用热辊压法压制上述隔膜，在预设的辊压温度、辊压速度下，以预设辊压力压制隔膜；
S5、将上述隔膜进行后续烘干，彻底除去水分；
S6、对上述隔膜进行快冷处理，并进行形状定型。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于：所述热压助剂为水溶性溶液，在隔膜表面通过雾化进行喷洒热压助剂。
3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于：所述热压助剂为聚乙烯乳液，聚乙烯乳液的水溶液浓度为0.1～5wt％，在隔膜的表面喷涂量为1～10g/m2。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于：在S2中，烘干1的温度范围是60℃～90℃，烘干的时间为10～60秒。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于：在S3中，折叠次数为2～5次。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于：在S4中，采用304不锈钢材质的压辊对隔膜进行压制，压辊的表面抛光成镜面，所述热辊压法的辊面温度为100℃～180℃，辊压速度为0.01～5m/min，施加于辊上的压力为100N～4000N，辊径为200mm～800mm。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于：在S5中，采用空气气氛下烘干，烘干的温度范围是80℃～120℃，隔膜烘干时间为10～60秒。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法，其特征在于：在S6中，采用冷冻箱或者干冰制冷，制冷温度范围为-40℃～-20℃，隔膜处理时间为10～300秒。
9.一种纺丝隔膜，其特征在于：由权利要求1-8任一项所述锂离子电池纺丝隔膜的后处理方法制备得到。
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