CN114171847A - 一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法，包括基膜和涂覆层；所述涂覆层包括：多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线、分散剂、增稠剂、粘接剂、润湿剂。本发明通过多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线修饰复合隔膜，引入多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，得益于其自身的优异性能以及不同纳米线间的相互交联，能够大幅提升了隔膜的机械强度以及热收缩性能；另外，多孔Al2O3、聚多巴胺衍生多孔碳和多孔Al(OH)3三者可以协同作用，这进一步提高了隔膜的机械性能以及热收缩性能。

Description

一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及电池隔膜技术领域，具体为一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法。
背景技术
作为新型的二次电池，锂电池具有高能量密度、循环寿命长等优点，被大量应用于便携式电子装置、储能和动力汽车中，其应用范围不断扩展。并随着新能源行业的快速发展，锂电池被越来越多的应用到动力汽车中。作为锂电池的重要组成部分，隔膜能够有效防止正、负极接触，避免短路的发生，深刻影响着锂电池的安全性。由此，锂电池性能的提升及安全性要求，需要对隔膜提出更高的要求。
目前，使用最为广泛的锂电池隔膜是聚烯烃隔膜。但在市场上，现有的聚烯烃隔膜仍存在一些问题：①离子电导率低，使电池内阻较大，不利于锂离子电池大倍率情况下的充放电；②机械强度低，抗穿刺能力差，易被刺穿造成电池正负极接触短路，形成热失控；③聚烯烃材料熔点很低，在电池存在热失控时隔膜容易发生破膜而导致热失控更加严重，从而导致电池燃烧甚至爆炸；④比表面积较低，吸液保液能力较差。针对聚烯烃隔膜离子电导率低、机械性能差及吸液保液能力差的问题。
目前的主要解决方案是在聚烯烃隔膜的单面或双面涂覆陶瓷涂层；而针对聚烯烃隔膜耐热性能差的问题，通过在聚烯烃隔膜表面涂覆耐高温的陶瓷涂层，可以延迟隔膜闭孔至150℃，但是150℃的闭孔温度不能完全避免锂电池在高温下短路及其引发的自燃。因此，我们提出一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜，包括基膜和涂覆层；所述涂覆层包括：多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线、分散剂、增稠剂、粘接剂、润湿剂，所述多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线为以多孔Al2O3为核心依次包裹聚多巴胺衍生碳、Al(OH)3的纳米线。
进一步的，所述涂覆层由涂覆浆料制得，所述涂覆浆料包括以下质量分数组分：15～35％多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线、0.2～0.6％分散剂、0.4～0.7％增稠剂、0.5～1％粘接剂、0.05～0.2％润湿剂，余量为超纯水。
进一步的，所述分散剂为水解聚马来酸酐；所述增稠剂为羟甲基纤维素钠；所述粘接剂为COPNA树脂；所述润湿剂为硅醇类非离子表面活性剂。
在上述技术方案中，分散剂为水解聚马来酸酐(HPMA)类；增稠剂为羟甲基纤维素钠类(CMC胶液)；粘接剂为COPNA树脂类；COPNA树脂即缩合多环多核芳烃树脂；润湿剂为硅醇类非离子表面活性剂中的一种或多种；
一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)多孔Al2O3纳米线的制备：
取硫酸铝、尿素，制得多孔Al2O3纳米线；
(2)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线的制备：
取多巴胺对多孔Al2O3纳米线进行修饰；高温碳化，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线；
(3)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的制备：
取多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线、超纯水混合，加入硫酸铝、尿素，加热反应，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线；
(4)涂覆浆料的制备：
将分散剂、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线、超纯水、增稠剂、粘结剂、润湿剂，混合，得到涂覆浆料；
(5)复合隔膜的制备：
取聚烯烃隔膜作为基膜，采用微凹版辊涂布工艺，将涂覆浆料分步辊涂于基膜两侧；烘烤，收卷，得到复合隔膜。
进一步的，包括以下步骤：
(1)多孔Al2O3纳米线的制备：
将硫酸铝、尿素、超纯水混合，加热反应；取产物，加热保温，高温反应，得到多孔Al2O3纳米线；
(2)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线的制备：
取多孔Al2O3纳米线、多巴胺，混合反应，得到聚多巴胺修饰的多孔Al2O3纳米线；高温碳化，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线；
(3)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的制备：
取多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线、超纯水混合，加入硫酸铝、尿素，加热反应；升温保温，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线；
(4)涂覆浆料的制备：
将分散剂、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，加入超纯水预混；依次加入增稠剂、粘结剂、润湿剂，搅拌，过滤，除铁，得到涂覆浆料；
(5)复合隔膜的制备：
将涂覆浆料涂布于基膜两侧，烘烤，收卷，得到复合隔膜。
进一步的，所述(1)包括以下工艺：
将硫酸铝、尿素、超纯水混合，加热至90～100℃，反应10～12h，得到沉淀物A；
抽滤，反复用无水乙醇水洗至无杂质离子，得到滤饼A；
置于60～80℃的真空干燥箱中干燥12～24h，控制真空干燥的真空度在0.08～0.10Mpa；在空气气氛下,以2～3℃/min的升温速率从室温升温至110～125℃，恒温120～140min，冷却至室温，得到一维多孔Al(OH)3纳米线；
均匀平铺，置于氩气气体氛围中，1100～1200℃下反应4.5～5.0h，升温过程：以8～10℃/min的升温速率从15～30℃升温至780～850℃，再以2～3℃/min的升温速率升温至1100～1200℃，冷却至室温，得到多孔Al2O3纳米线，即多孔Al2O3纳米线。
进一步的，所述(2)包括以下工艺：
取三羟甲基氨基甲烷，加入到超纯水中，滴加浓度为0.1mol/L的稀盐酸，调节体系pH至8.5～9.0，搅拌20min，将多孔Al2O3纳米线浸入到溶液中，加入多巴胺盐酸盐，室温下反应12h，得到聚多巴胺修饰的多孔Al2O3纳米线；
在氮气保护下高温碳化，温度以6～8℃/min的升温速率从室温升至750～800℃，恒温140～180min，冷却至室温,得到粉末A；
均匀平铺，置于氩气/氧气混合气体氛围中，在420～480℃下反应1.5～2.0h，升温过程：以8～10℃/min的升温速率从15～30℃升温至300～350℃，再以2～3℃/min的升温速率升温至420～480℃，冷却至室温，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线，即多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线。
进一步的，所述(3)包括以下工艺：
在不断搅拌下，将多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线加入到超纯水中，超声波处理20～30min；加入硫酸铝、尿素，搅拌10～15min；加热至90～95℃，反应10～12h，得到沉淀物B；
将沉淀物B抽滤，洗涤，得到滤饼B；
将滤饼B置于60～80℃的真空干燥箱中干燥12～24h，控制真空干燥的真空度在0.08～0.10Mpa，得到粉末B；
取粉末B，在空气气氛下，以2～3℃/min的升温速率从室温升至110～120℃，恒温120～150min，冷却至室温，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，即多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线。
进一步的，所述(4)包括以下工艺：
将分散剂、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，加入超纯水，预混10～30min，转速为200～300rpm；加入增稠剂，搅拌20～60min，转速为200～400rpm；加入粘结剂，搅拌30～50min，转速为300～500rpm；加入润湿剂，搅拌20～40min,转速为300～600rpm；过滤，除铁，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线涂覆浆料。
进一步的，所述(5)包括以下工艺：
取聚烯烃隔膜作为基膜，采用微凹版辊涂布工艺，将涂覆浆料分步辊涂于基膜两侧；70～80℃烘烤，收卷，得到复合隔膜。
进一步的，所述聚烯烃隔膜的厚度为9μm，单侧涂层厚度为3μm。
进一步的，所述基膜、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线经过表面处理，包括以下工艺：
取基膜，进行等离子体处理，得到改性基膜；取200mL二甲基甲酰胺，加入30g乙二胺、5gN,N’-二环己基碳酰亚胺，超声20～30min，得到溶液；
将溶液涂布于改性基膜表面，60～65℃反应5.5～6.0h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；
另取溶液浸没多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，60～65℃反应5.5～6.0h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；溶液与多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3间的固液比为1:1；
进一步的，所述(4)所制涂覆浆料中还包括1～5％改性试剂。
进一步的，所述改性试剂以下工艺制得：取3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸混合，加入催化剂p-TSA，在氮气氛围中，升温至140～150℃，反应45～60min；抽真空，继续反应100～120min，得到产物A；
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌100～120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、产物A混合，加入三乙胺，调节体系温度至0～6℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应18～24h，得到产物B；
取二氯甲烷、产物B混合，加入多巴胺盐酸盐、吡啶，调节体系pH至碱性，100～110℃回流反应6h，得到改性试剂。
进一步的，所述3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸的摩尔比为1:3，催化剂的质量为2,4-二羟基丁酸的0.5％；所述酰氯、产物A、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；产物B、多巴胺的摩尔比为1:(2～4)。
在上述技术方案中，对基膜进行等离子体处理，使其表面产生活性基团，利于后续接枝反应的发生；然后将基膜、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线(以下称纳米线)依次与乙二胺反应，在基膜、纳米线的表面引入氨基，便于后续的改性操作；
3-甲基戊烷-1,2,5-三醇中的羟基与2,4-二羟基丁酸中的羧基反应，得到具有支化结构的端羟基酯化物，继续反应，产物的支化结构增加，得到超支化端羟基聚酯；然后与7-巯基庚酸中的羧基反应，引入巯基；根据摩尔比，部分巯基与多巴胺中的氨基反应，利于多巴胺的化学特性，使得所制改性试剂在涂覆浆料中能够相互接枝，并利用表面处理后的基膜、纳米线的表面氨基，接枝于基膜、纳米线的表面，提高纳米线在涂覆浆料中的分散度，增强所制涂覆层与基膜间的粘结强度，提高涂覆层的力学稳定性，提高针刺安全性，降低脆性，提高柔韧性；并引入了巯基，能够增强电解质对所制隔膜的润湿性能，利于离子电导率的提高，与多硫化物之间存在极性相互作用和静电排斥作用，能够抑制多硫化物的穿梭效应，从而改善电池的电化学反应环境，提高所制电池的性能；
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明的高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法，通过多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线修饰复合隔膜，引入多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，得益于其自身的优异性能以及不同纳米线间的相互交联，能够大幅提升了隔膜的机械强度以及热收缩性能；另外，多孔Al2O3、聚多巴胺衍生多孔碳和多孔Al(OH)3三者可以协同作用，这进一步提高了隔膜的机械性能以及热收缩性能。
2.本发明的高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法，通过多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线复合隔膜，其中碳层的引入一方面增加了材料的机械性能，另一方面又增强了材料的导电性能，有利于增强锂离子的快速传输；另外，进一步将碳层制备成多孔碳层，进一步提高了锂离子电导率，并且增加了材料的比表面积，增强了隔膜的吸液保液能力。
3.本发明的高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法，通过多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线修饰复合隔膜，Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线整体呈现多孔结构，这极大地增加了材料的比表面积，从而大幅提升了隔膜的吸液保液能力。
4.本发明的高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜及其制备方法，通过多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线修饰复合隔膜，Al(OH)3的阻燃作用源于Al(OH)3的结晶水受热分解吸热即形成的炭化层。当温度升高到分解温度，Al(OH)3分解释放水蒸气，吸收潜热，冲淡了燃烧物表面附近氧气和可燃气体的浓度，使表面燃烧难以进行；而表面形成的炭化层阻止氧气和热量的进入，同时其分解生成的氧化铝还是良好的耐火材料，具有良好的耐高温和导热性能，可提高材料抵抗明火的能力。
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
(1)多孔Al2O3纳米线的制备：
将15.58g硫酸铝、29.36g尿素、250ml超纯水加入到500ml具塞锥形瓶中，放置于烘箱中加热至90℃，反应12h，得到沉淀物A；
将沉淀物A抽滤，反复用无水乙醇水洗至无杂质离子，得到滤饼A；
将滤饼A置于60℃的真空干燥箱中干燥24h，控制真空干燥的真空度在0.08Mpa；干燥结束后置于马弗炉中，在空气气氛下,以2℃/min的升温速率从室温升温至120℃，恒温140min，冷却至室温，得到一维多孔Al(OH)3纳米线；
取10g多孔Al(OH)3纳米线，均匀平铺于5cm×2cm的刚玉坩埚中，置于通有氩气气体的管式炉中，1200℃下反应4.5h，升温过程：以10℃/min的升温速率从25℃升温至800℃，再以3℃/min的升温速率从800℃升温至1200℃，冷却至室温，得到多孔Al2O3纳米线；
(2)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线的制备：
称取200mg三羟甲基氨基甲烷，加入到100mL的超纯水中，滴加浓度为0.1mol/L的稀盐酸，调节体系pH至8.5，搅拌22min，将多孔Al2O3纳米线浸入到溶液中，加入157mg的多巴胺盐酸盐，室温下反应12h，得到聚多巴胺修饰的多孔Al2O3纳米线；
将聚多巴胺修饰的多孔Al2O3纳米线，在氮气保护下高温碳化，温度以6℃/min的升温速率从室温升至800℃，恒温140min，冷却至室温,得到粉末A；
将0.2g粉末A，均匀平铺于5cm×2cm的刚玉坩埚中，置于通有氩气/氧气混合气体的管式炉中，氩气:氧气的体积比为97.5:2.5，在450℃下反应1.5h，升温过程：以10℃/min的升温速率从25℃升温至300℃，再以3℃/min的升温速率从300℃升温至450℃，冷却至室温，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线；
(3)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的制备：
在不断搅拌下，将5.38g多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线加入到200ml超纯水中，超声波处理30min；加入14.28g硫酸铝、19.97g尿素，搅拌10min；将其放置于烘箱中加热至90℃，反应12h，得到沉淀物B；
将沉淀物B抽滤，反复用无水乙醇水洗至无杂质离子，得到滤饼B；
将滤饼B置于60℃的真空干燥箱中干燥24h，控制真空干燥的真空度在0.08Mpa，得到粉末B；
将粉末B置于马弗炉中，在空气气氛下，以2℃/min的升温速率从室温升至120℃，恒温140min，冷却至室温，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线；
(4)涂覆浆料的制备：
按质量分数，将0.5％的分散剂水解聚马来酸酐、15％的多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，加入超纯水，预混30min，转速为300rpm；
加入0.6％的增稠剂羟甲基纤维素钠，搅拌50min，转速为200rpm；
加入1％的粘结剂COPNA树脂，搅拌50min，转速为500rpm；
加入0.2％的润湿剂硅醇类非离子表面活性剂GSK-588，搅拌40min,转速为300rpm；
过滤，除铁，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线涂覆浆料；
(5)复合隔膜的制备：
取9μm聚烯烃隔膜作为基膜，采用微凹版辊涂布工艺，将涂覆浆料分步辊涂于基膜两侧，单侧涂层厚度为3μm；70℃烘烤，收卷，得到复合隔膜。
实施例2
与实施例1相比，多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的质量份数替换为25％，其他工艺步骤与实施例1相同，得到复合隔膜。
实施例3
与实施例1相比，多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的质量份数替换为35％，其他工艺步骤与实施例1相同，得到复合隔膜。
实施例4
(4)涂覆浆料的制备：
取3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸混合，加入催化剂p-TSA，在氮气氛围中，升温至140℃，反应60min；抽真空，继续反应120min，得到产物A；3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸的摩尔比为1:3，催化剂的质量为2,4-二羟基丁酸的0.5％；
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、产物A混合，加入三乙胺，调节体系温度至3℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应24h，得到产物B；酰氯、产物A、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；
取二氯甲烷、产物B混合，加入多巴胺盐酸盐、吡啶，调节体系pH至碱性，100℃回流反应6h，得到改性试剂；产物B、多巴胺的摩尔比为1:2。
取200mL二甲基甲酰胺，加入30g乙二胺、5gN,N’-二环己基碳酰亚胺，超声20～30min，得到溶液；将多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，浸没其中，60℃反应6h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；溶液与多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3间的固液比为1:1。
按质量分数，将0.5％的分散剂、15％的多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，加入超纯水，预混30min，转速为300rpm；加入0.6％的增稠剂，搅拌50min，转速为200rpm；加入1％的粘结剂，搅拌50min，转速为500rpm；加入0.2％的润湿剂，搅拌40min,转速为300rpm；加入1％改性试剂，搅拌5min,转速为200rpm；过滤，除铁，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线涂覆浆料；
(5)复合隔膜的制备：
取9μm聚烯烃隔膜作为基膜，进行等离子体处理，得到改性基膜；将步骤(4)中的溶液涂布于改性基膜表面，60℃反应6h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；采用微凹版辊涂布工艺，将涂覆浆料分步辊涂于基膜两侧，单侧涂层厚度为3μm；70℃烘烤，收卷，得到复合隔膜。
其他工艺步骤与实施例1相同。
实施例5
(4)涂覆浆料的制备：
取3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸混合，加入催化剂p-TSA，在氮气氛围中，升温至140℃，反应60min；抽真空，继续反应120min，得到产物A；3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸的摩尔比为1:3，催化剂的质量为2,4-二羟基丁酸的0.5％；
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、产物A混合，加入三乙胺，调节体系温度至3℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应24h，得到产物B；酰氯、产物A、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；
取二氯甲烷、产物B混合，加入多巴胺盐酸盐、吡啶，调节体系pH至碱性，105℃回流反应6h，得到改性试剂；产物B、多巴胺的摩尔比为1:3。
取200mL二甲基甲酰胺，加入30g乙二胺、5gN,N’-二环己基碳酰亚胺，超声20～30min，得到溶液；将多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，浸没其中，62℃反应6h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；溶液与多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3间的固液比为1:1。
按质量分数，将0.5％的分散剂、15％的多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，加入超纯水，预混30min，转速为300rpm；加入0.6％的增稠剂，搅拌50min，转速为200rpm；加入1％的粘结剂，搅拌50min，转速为500rpm；加入0.2％的润湿剂，搅拌40min,转速为300rpm；加入3％改性试剂，搅拌10min,转速为300rpm；过滤，除铁，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线涂覆浆料；
(5)复合隔膜的制备：
取9μm聚烯烃隔膜作为基膜，进行等离子体处理，得到改性基膜；将步骤(4)中的溶液涂布于改性基膜表面，62℃反应6h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；采用微凹版辊涂布工艺，将涂覆浆料分步辊涂于基膜两侧，单侧涂层厚度为3μm；70℃烘烤，收卷，得到复合隔膜。
其他工艺步骤与实施例1相同。
实施例6
(4)涂覆浆料的制备：
取3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸混合，加入催化剂p-TSA，在氮气氛围中，升温至140℃，反应60min；抽真空，继续反应120min，得到产物A；3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸的摩尔比为1:3，催化剂的质量为2,4-二羟基丁酸的0.5％；
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、产物A混合，加入三乙胺，调节体系温度至0℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应24h，得到产物B；酰氯、产物A、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；
取二氯甲烷、产物B混合，加入多巴胺盐酸盐、吡啶，调节体系pH至碱性，4110℃回流反应6h，得到改性试剂；产物B、多巴胺的摩尔比为1:4。
取200mL二甲基甲酰胺，加入30g乙二胺、5gN,N’-二环己基碳酰亚胺，超声20～30min，得到溶液；将多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，浸没其中，65℃反应6h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；溶液与多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3间的固液比为1:1。
按质量分数，将0.5％的分散剂、15％的多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，加入超纯水，预混30min，转速为300rpm；加入0.6％的增稠剂，搅拌50min，转速为200rpm；加入1％的粘结剂，搅拌50min，转速为500rpm；加入0.2％的润湿剂，搅拌40min,转速为300rpm；加入5％改性试剂，搅拌5min,转速为200rpm；过滤，除铁，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线涂覆浆料；
(5)复合隔膜的制备：
取9μm聚烯烃隔膜作为基膜，进行等离子体处理，得到改性基膜；将步骤(4)中的溶液涂布于改性基膜表面，65℃反应6h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；采用微凹版辊涂布工艺，将涂覆浆料分步辊涂于基膜两侧，单侧涂层厚度为3μm；70℃烘烤，收卷，得到复合隔膜。
其他工艺步骤与实施例1相同。
对比例1
删除步骤(3)，其他工艺步骤与实施例1相同。
对比例2
删除步骤(2)，其他工艺步骤与实施例1相同。
对比例3
删除步骤(1)、(2)，取聚多巴胺纳米球进行(3)中的操作；其他工艺步骤与实施例1相同。
对比例4
(4)涂覆浆料的制备：
取1,3-丙二醇、丁二酸混合，加入催化剂，在氮气氛围中，升温至140℃，反应60min，得到产物A；1,3-丙二醇、丁二酸的摩尔比为1:1；
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、产物A混合，加入三乙胺，调节体系温度至3℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应24h，得到产物B；酰氯、产物A、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；
取二氯甲烷、产物B混合，加入多巴胺盐酸盐、吡啶，调节体系pH至碱性，100℃回流反应6h，得到改性试剂；产物B、多巴胺的摩尔比为1:1。
其他工艺步骤与实施例4相同。
对比例5
(4)涂覆浆料的制备：
取3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸混合，加入催化剂p-TSA，在氮气氛围中，升温至140℃，反应60min；抽真空，继续反应120min，得到产物A；3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸的摩尔比为1:3，催化剂的质量为2,4-二羟基丁酸的0.5％；
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、产物A混合，加入三乙胺，调节体系温度至3℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应24h，得到产物B；酰氯、产物A、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；作为改性试剂。
其他工艺步骤与实施例4相同。
对比例6
(4)涂覆浆料的制备：
取3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸混合，加入催化剂p-TSA，在氮气氛围中，升温至140℃，反应60min；抽真空，继续反应120min，得到产物A；3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸的摩尔比为1:3，催化剂的质量为2,4-二羟基丁酸的0.5％；
取二氯甲烷、产物B混合，加入多巴胺盐酸盐，在氢溴酸催化作用下反应，得到改性试剂；产物B、多巴胺的摩尔比为1:2。
其他工艺步骤与实施例4相同。
对比例7
(4)涂覆浆料的制备：
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、3-甲基戊烷-1,2,5-三醇混合，加入三乙胺，调节体系温度至3℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应24h，得到产物A；酰氯、3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；
取二氯甲烷、产物A混合，加入多巴胺盐酸盐、吡啶，调节体系pH至碱性，100℃回流反应6h，得到改性试剂；产物A、多巴胺的摩尔比为1:2。
其他工艺步骤与实施例4相同。
实验
取实施例1-6、对比例1-7中得到的复合隔膜和聚烯烃隔膜，制得试样，分别对其性能进行检测并记录检测结果：
Figure BDA0003400842790000131
Figure BDA0003400842790000141
Figure BDA0003400842790000142
根据上表中的数据，可以清楚得到以下结论：
实施例1-6、对比例1-7中得到的复合隔膜、聚烯烃隔膜形成对比，检测结果可知，
1、与聚烯烃隔膜相比，实施例1-3中得到的复合隔膜，其针刺强度数据明显提高，可知多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的修饰能够大幅提升了隔膜的机械强度；
当涂覆浆料中多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的质量比由15％逐步升高到35％时，①对应复合隔膜的吸液率和保液率越来越好，即电解液浸润性越来越好，且均远远高于未涂覆涂层的纯聚烯烃隔膜，证实了多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的修饰可以有效提升隔膜的电解液浸润性；②对应复合隔膜的离子电导率越来越高，且均远远高于未涂覆涂层的纯聚烯烃隔膜，证实了多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的修饰可以有效提升隔膜的离子电导率；③对应复合隔膜的热收缩性能越来越好，且均远远优于未涂覆涂层的纯聚烯烃隔膜，证实了多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线对提升耐热性能的有效性。
当涂覆浆料中多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的质量比由15％逐步升高到25％时，对应复合隔膜的透气性能变差，当多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的质量比进一步升高到35％时，对应复合隔膜的透气性能严重恶化，且均比未涂覆涂层的纯聚烯烃隔膜差，因此，为了权衡复合隔膜的各方面性能，多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的添加量要适中，并不是越多越好。
实施例1-3中得到的复合隔膜，其的氧指数远远大于纯聚烯烃隔膜的氧指数，这证实了多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线可以有效地提升隔膜的阻燃性能。
综上，本发明制备的多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线修饰的复合隔膜具有优异的阻燃性能、电解液润湿性能以及热收缩性能，同时具有较高的机械强度和离子电导率，在隔膜领域中具有良好的应用前景。
2、对比例1-7中得到的复合隔膜，其厚度未发生明显变化，且与其他数据无直接联系，也未对性能分析造成直接影响，故省略对比例1-7中复合隔膜的厚度数据；
与实施例1相比，对比例1中的纳米线表面未设置Al(OH)3，透气值、离子电导率、吸液率、保液率变化不明显，针刺强度、热收缩有所劣化，氧指数数据变化明显，可知纳米线表面设置的Al(OH)3对复合隔膜阻燃性能的提高有着促进作用；对比例2中的纳米线Al2O3、Al(OH)3之间未设置聚多巴胺衍生碳，其透气值、离子电导率、吸液率、保液率数据劣化明显，针刺强度、热收缩、氧指数的数据变化相较于对比例1较明显，聚多巴胺衍生碳能够改善复合隔膜透气、吸液保液性能；对比例3中为聚多巴胺纳米球衍生化碳@Al(OH)3，所制复合隔膜的针刺强度、热收缩数据有明显降低，可知多孔Al2O3能够对所制复合隔膜的力学性能、热稳定性进行改善；
综上，本申请对纳米线的成分及其制备工艺的设置，能够促进其离子电导率、电解液浸润性、机械强度、阻燃性能、热收缩性能的提升；
与实施例4相比，对比例4中的改性试剂为线性结构，透气值数据上升，但针刺强度、吸液保液数据有所下降、热稳定数据下降明显，可知本申请中改性试剂的分子结构有助于改善所制复合隔膜的综合性能，原因在于原改性试剂中的支化结构具有更多的官能团，复合隔膜能够具备更好的润湿性能，形成的网络结构更为立体，有助于所制复合隔膜力学性能的提高；
对比例5中的改性试剂未添加进行多巴胺反应，所制复合隔膜的针刺强度、热稳定性明显下降、氧指数；原因在于：多巴胺未引入涂覆浆料体系中，与纳米线、隔膜间的接枝无法实现，使得力学稳定、针刺安全性下降；可知改性试剂中多巴胺的设置对复合隔膜力学性能、尺寸稳定有着改善作用；
对比例6中的改性试剂未添加7-巯基庚酸，复合隔膜的吸液保液、离子电导率数据下降明显，原因在于：巯基未引入涂覆浆料体系中，所制隔膜对电解质的润湿性能下降，对多硫化物排斥作用减弱，所制电池中多硫化物的穿梭效应变强；可知改性试剂中巯基的设置对复合隔膜所制电池的性能有着改善作用；
对比例7中的改性试剂未进行酯化，复合隔膜的针刺强度、热稳定性明显下降；原因在于：未经酯化的改性试剂具有较多亲水基团，所制复合隔膜会具有较好的润湿性，但会损失酯类聚合物优异的力学性能、耐热性能；可知改性试剂中酯键的引入能够对复合隔膜的针刺强度、热稳定性带来改善；
综上，对比例4-7中得到的复合隔膜，其透气值、离子电导率、吸液率、针刺强度等试验数据发生变化，使得复合隔膜的综合性能劣化；可知本申请对改性试剂的成分及其制备工艺的设置，能够促进其综合性能的整体提升。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程方法物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程方法物品或者设备所固有的要素。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改等同替换改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜，其特征在于：包括基膜和涂覆层；所述涂覆层包括：多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线、分散剂、增稠剂、粘接剂、润湿剂，所述多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线为以多孔Al2O3为核心依次包裹聚多巴胺衍生碳、Al(OH)3的纳米线。
2.根据权利要求1所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜，其特征在于：所述涂覆层由涂覆浆料制得，所述涂覆浆料包括以下质量分数组分：15～35％多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线、0.2～0.6％分散剂、0.4～0.7％增稠剂、0.5～1％粘接剂、0.05～0.2％润湿剂，余量为超纯水。
3.根据权利要求1所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜，其特征在于：所述分散剂为水解聚马来酸酐；所述增稠剂为羟甲基纤维素钠；所述粘接剂为COPNA树脂；所述润湿剂为硅醇类非离子表面活性剂中的一种或多种。
4.一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)多孔Al2O3纳米线的制备：
取硫酸铝、尿素，制得多孔Al2O3纳米线；
(2)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线的制备：
取多巴胺对多孔Al2O3纳米线进行修饰；高温碳化，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线；
(3)多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线的制备：
取多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线、超纯水混合，加入硫酸铝、尿素，加热反应，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线；
(4)涂覆浆料的制备：
将分散剂、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线、超纯水、增稠剂、粘结剂、润湿剂，混合，得到涂覆浆料；
(5)复合隔膜的制备：
取聚烯烃隔膜作为基膜，采用微凹版辊涂布工艺，将涂覆浆料分步辊涂于基膜两侧；烘烤，收卷，得到复合隔膜。
5.根据权利要求4所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述(1)包括以下工艺：
将硫酸铝、尿素、超纯水混合，加热至90～100℃，反应10～12h，得到沉淀物A；
抽滤，反复用无水乙醇水洗至无杂质离子，得到滤饼A；
真空干燥；在空气气氛下,升温至110～125℃，恒温120～140min，冷却至室温，得到一维多孔Al(OH)3纳米线；
均匀平铺，置于氩气气体氛围中，1100～1200℃下反应4.5～5.0h，冷却至室温，得到多孔Al2O3纳米线。
6.根据权利要求4所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述(2)包括以下工艺：
取三羟甲基氨基甲烷，加入到超纯水中，滴加稀盐酸，调节体系pH至碱性，加入多孔Al2O3纳米线、多巴胺盐酸盐，反应10～12h，得到聚多巴胺修饰的多孔Al2O3纳米线；
在氮气保护下高温碳化，升温至750～800℃，恒温140～180min，冷却至室温,得到粉末A；
均匀平铺，置于氩气/氧气混合气体氛围中，在420～480℃下反应1.5～2.0h，冷却至室温，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线。
7.根据权利要求4所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述(3)包括以下工艺：
在不断搅拌下，将多孔Al2O3@聚多巴胺衍生多孔碳纳米线加入到超纯水中，超声波处理20～30min；加入硫酸铝、尿素，搅拌10～15min；加热至90～95℃，反应10～12h，得到沉淀物B；
将沉淀物B抽滤，洗涤，得到滤饼B；真空干燥，得到粉末B；
取粉末B，在空气气氛下，升温至110～120℃，恒温120～150min，冷却至室温，得到多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线。
8.根据权利要求4所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述(4)包括以下工艺：
将分散剂、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，加入超纯水，预混10～30min；依次加入增稠剂、粘结剂、润湿剂，搅拌；过滤，除铁，得到涂覆浆料。
9.根据权利要求4所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述基膜、多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线经过表面处理，包括以下工艺：
取基膜，进行等离子体处理，得到改性基膜；取二甲基甲酰胺，加入乙二胺、N,N’-二环己基碳酰亚胺，超声20～30min，得到溶液；
将溶液涂布于改性基膜表面，60～65℃反应5.5～6.0h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥；
另取溶液浸没多孔Al2O3@聚多巴胺衍生碳@Al(OH)3纳米线，60～65℃反应5.5～6.0h，加入无水乙醇，静置过夜；洗涤，干燥。
10.根据权利要求4所述的一种高阻燃、高浸润性锂离子电池隔膜的制备方法，其特征在于：
所述(4)所制涂覆浆料中还包括1～5％改性试剂；所述改性试剂以下工艺制得：取3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸混合，加入催化剂p-TSA，在氮气氛围中，升温至140～150℃，反应45～60min；抽真空，继续反应100～120min，得到产物A；
取氯化亚砜、7-巯基庚酸混合，搅拌100～120min，旋蒸，得到酰氯；取二氯甲烷、产物A混合，加入三乙胺，调节体系温度至0～6℃，滴加酰氯的二氯甲烷溶液，恢复室温，反应18～24h，得到产物B；
取二氯甲烷、产物B混合，加入多巴胺盐酸盐、吡啶，调节体系pH至碱性，100～110℃回流反应6h，得到改性试剂；
所述3-甲基戊烷-1,2,5-三醇、2,4-二羟基丁酸的摩尔比为1:3，催化剂的质量为2,4-二羟基丁酸的0.5％；所述酰氯、产物A、三乙胺的摩尔比为1.5:10:2.5；产物B、多巴胺的摩尔比为1:(2～4)。
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