CN115000628B - 一种锂电池用纳米纤维隔膜材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂电池技术领域,具体涉及一种锂电池用纳米纤维隔膜材料及其制备方法,该纳米纤维隔膜材料由多孔聚合物纳米纤维膜和含有无机纳米颗粒的涂敷浆料组成;其中多孔聚合物纳米纤维膜中耐热纳米纤维的质量占聚合物质量的20‑65%;涂敷浆料是由PVA、多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒以及去离子水组合而成;其中PVA的质量占去离子水质量的30‑80%,多巴胺的质量占去离子水质量的10‑50%,复合纳米氧化铝颗粒的质量占去离子水质量的5‑20%。本发明中的纳米纤维隔膜材料,不仅具有很好的吸液率以及电导率,而且热稳定性以及耐热收缩率优异,在高温条件下作业不易产生尺寸收缩,从而有助于提高锂电池的安全性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域,具体为一锂电池用纳米纤维隔膜材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池主要分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两种,尽管近几年聚合物锂离子电池的销量呈快速增加的趋势,但液态锂离子电池仍占绝大部分的市场份额。传统的液体锂离子二次电池主要由正极材料、隔膜、电解液及负极材料组成,其中隔膜是锂离子电池的关键内层部件之一。当前聚烯烃微孔薄膜材料广泛地用作为锂离子电池的隔离膜,隔离膜对电池的实际性能有着至关重要的影响,其必须具备良好的化学、电化学稳定性、能提供锂离子在正负极间穿透流通的通道,具有良好的电解液吸收和保液能力,具备一定的拉伸强度和耐穿刺强度,以防止锂离子电池短路。
例如中国专利CN2012105580767公开了一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜及其制备方法,该聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中,再经过静电纺丝制成;又例如中国专利CN2018115399633公开了一种用于高性能锂电池的倍半硅氧烷改性的纤维隔膜及其制备方法,该纤维隔膜由聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的高分子纺丝液、具有特殊功能的笼型γ-十甲基丙烯酰氧丙基倍半硅氧烷单体(MA-T10-POSS)、八氨基苯基笼型倍半硅氧烷单体(苯胺基POSS)构成;上述隔膜虽然都具有很好的亲电解液性以及高孔隙率,但是其尺寸稳定性不足,在一些高温环境下,隔膜会发生明显的收缩变形,不利于锂电池的安全运行。
因此,如何使隔膜在具有优异的亲电解液性以及高孔隙率的前提下,还具有优异的热稳定性以及耐热收缩率,成为了锂离子电池发展的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂电池用纳米纤维隔膜材料及其制备方法,不仅具有很好的吸液率以及电导率,而且热稳定性以及耐热收缩率优异,在高温条件下作业不易产生尺寸收缩,从而有助于提高锂电池的安全性能。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,该纳米纤维隔膜材料由多孔聚合物纳米纤维膜和含有无机纳米颗粒的涂敷浆料组成;其中多孔聚合物纳米纤维膜是由含有耐热纳米纤维的聚合物经流延成膜而成,多孔聚合物纳米纤维膜中耐热纳米纤维的质量占聚合物质量的20-65%;涂敷浆料是由PVA、多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒以及去离子水组合而成;其中PVA的质量占去离子水质量的30-80%,多巴胺的质量占去离子水质量的10-50%,复合纳米氧化铝颗粒的质量占去离子水质量的5-20%。
作为本发明的进一步优选方案,所述多孔聚合物纳米纤维膜中,耐热纳米纤维的质量占聚合物PP粒料质量的20-65%。
作为本发明的进一步优选方案,所述多孔聚合物纳米纤维膜的制备方法如下:
1)将耐热纳米纤维、和硅烷偶联剂KH-550加入到无水乙醇中,在80-85℃下回流5-10h,用去离子水冲洗干净并真空过滤,烘干后得到改性耐热纳米纤维,将其与PP粒料混合均匀后添加到双螺杆挤出机中,通过双螺杆挤出机挤出造粒,控制熔体温度180-200℃,熔体压力1.2-1.5MPa,得到耐热PP母粒;
2)利用搅拌混合机将超高分子量聚乙烯和耐热PP母粒预混均匀,投入双螺杆挤出机中,加入石蜡油,在200-205℃下熔融混炼挤出流延成膜,冷却后在120-130℃下进行同步双向拉伸处理,待拉伸后用二氯甲烷对薄膜进行萃取,然后将萃取晾干20-30h后的薄膜在130-138℃下热定型,即可得到多孔聚合物纳米纤维膜。
作为本发明的进一步优选方案,所述耐热纳米纤维、硅烷偶联剂KH-550以及无水乙醇的用量比例为(5-15)g:(1-3)g:(100-200)mL。
作为本发明的进一步优选方案,所述超高分子量聚乙烯的用量占耐热PP母粒质量的5-15%;
所述石蜡油的用量占耐热PP母粒质量15-25%;
拉伸倍率为6-8;
萃取时间10-15min;
所述热定型时间60-120s。
作为本发明的进一步优选方案,所述耐热纳米纤维的制备方法如下:
1)将3-氨丙基三乙氧基硅烷、N,N’-二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶加入到无水四氢呋喃中,强力搅拌至完全溶解,随后将氧化处理后的纳米碳纤维浸入反应液中,在氮气保护下60-70℃反应20-25h,待反应结束后,取出碳纤维,用无水四氢呋喃反复清洗后烘干,得到胺基化碳纤维;
2)将胺基化碳纤维浸入到由蒸馏水、浓氨水以及无水乙醇组成的混合液中,随后升温至40-50℃,迅速加入浓度为0.03-0.08mol/L的正硅酸乙酯,并在此温度下反应15-20h,待反应结束后,取出碳纤维,用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干,得到改性碳纤维;
3)将改性碳纤维分散于去离子水中,常温下搅拌2-5h,再加入聚乙烯醇,在60-70℃下搅拌5-10h,然后升温至90-95℃继续搅拌10-15h,得到的纺丝原液,然后在纺丝电压20-25kV,推进速度0.03-0.08mm/min,接受距离15-20cm条件下纺丝8-10h,即可得到耐热纳米纤维。
作为本发明的进一步优选方案,所述3-氨丙基三乙氧基硅烷、N,N,-二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶以及无水四氢呋喃的比例为(3-10)mL:(0.1-0.3)g:(0.1-0.05)g:(100-150)mL;
所述混合液中,蒸馏水、浓氨水以及无水乙醇的比例为(3-10):(5-15):(80-90);
所述正硅酸乙酯占混合液体积的10-20%;
所述纺丝原液中,改性碳纤维、去离子水中以及聚乙烯醇的比例为(0.1-1.0)g:(10-30)mL:(1-5)g。
作为本发明的进一步优选方案,所述纳米碳纤维的氧化处理操作如下:
将纳米碳纤维浸入到浓硝酸溶液中,在80-85℃下反应2-5h,待反应结束后,用去离子水将氧化处理后的纳米碳纤维反复洗涤,直至滤液呈中性,烘干后即可。
作为本发明的进一步优选方案,所述复合纳米氧化铝颗粒的制备方法如下:
1)将去离子水加入到容器中,用氮气吹扫30-50min,然后分别加入六水合氯化钴、氯化锌以及六次甲基四胺,搅拌均匀,得到混合液;
2)将纳米氧化铝颗粒加入到混合液中,在磁力搅拌下,将混合液加热至120-130℃,反应5-8h后冷却至室温,待反应结束后进行真空抽滤,将产物用去离子水和乙醇反复离心洗涤,在60-80℃下干燥10-15h,即可得到复合纳米氧化铝颗粒。
作为本发明的进一步优选方案,所述混合液中,六水合氯化钴、氯化锌、六次甲基四胺以及去离子水的比例为(1-3)mmol:(0.8-2.0)mmol:(30-50)mmol:(300-500)mL;
所述纳米氧化铝颗粒与混合液的质量体积比为1:10-20g/mL。
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料的制备方法,具体制备方法包括如下步骤:
将PVA粉末加入到容器中,往其中加入去离子水,溶胀20-30h,在85-90℃下以50-130r/min保温搅拌3-7h,得到PVA溶液,然后将多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒加入到PVA溶液中,在40-50℃下以100-200r/min搅拌10-15h,得到涂敷浆料,然后采用浸涂法,将涂敷浆料均匀的涂敷在多孔聚合物纳米纤维膜上,在室温下晾干后置于真空烘干箱中,在50-70℃下干燥5-10h,即可得到所需的纳米纤维隔膜材料。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明中,利用浓硝酸氧化,3-氨丙基三乙氧基硅烷胺基化以及正硅酸乙酯的溶胶-凝胶技术对纳米碳纤维进行处理,在纳米碳纤维中引入高模量纳米二氧化硅界面,有助于改善纳米碳纤维的粗糙度以及浸润性,使得形成的改性碳纤维可以更好的分散在聚乙烯醇中,并且,改性纳米碳纤维表面大量的极性胺基基团提高了耐热纳米纤维的表面能以及化学反应活性,从而提高了耐热纳米纤维与PP基体界面相中的机械啮合作用以及化学键合作用,从而提高了耐热纳米纤维在PP基体中的稳定性,将耐热纳米纤维引入到PP基体中,耐热纳米纤维之间的相互缠绕在多孔聚合物纳米纤维膜中形成导热网络,提高了热量在多孔聚合物纳米纤维膜中的传递速率,避免的多孔聚合物纳米纤维膜因受热不均产生收缩现象,同时,结构稳定的导热网络也提高了多孔聚合物纳米纤维膜的结构强度,使得多孔聚合物纳米纤维膜具有很好的抗变形能力,使其在外界因素的影响下不易发生变形,从而使得多孔聚合物纳米纤维膜在高温工作环境下不会产生尺寸的变化。
本发明中,通过将配制的涂敷液均匀的涂敷在多孔聚合物纳米纤维膜,可以增大纳米纤维隔膜与极性溶剂电解液的亲和性,使得电解液可以在纳米纤维隔膜表面迅速铺展开,且向四周铺展面积较大,从而使得纳米纤维隔膜的电解液吸液率得到进一步提升,同时,涂敷液中添加的多巴胺可以牢固的粘附在多孔聚合物纳米纤维膜上,一方面有助于提高涂覆层与多孔聚合物纳米纤维膜之间的结合强度,同时,多巴胺的引入可以降低纳米纤维隔膜的接触角,同时提高离子的电导率,使得纳米纤维隔膜与电极之间的界面稳定性以及电池的循环性能都得到有效提高,而且,涂敷液中添加的复合纳米氧化铝颗粒是以纳米氧化铝颗粒作为基体,通过一步沉淀法,以六水合氯化钴以及氯化锌为原料,在纳米氧化铝颗粒表面原位生长出一种层状金属氢氧化物,通过层状金属氢氧化物之间片层间的相互堆叠,使得复合纳米纳米氧化铝颗粒之间相互连接形成连续相整体,提高了涂覆层的尺寸稳定性,使其在高温下不易产生收缩,并且由于涂敷层包覆在多孔聚合物纳米纤维膜上,从而使得形成的纳米纤维隔膜具有很好的热稳定性,能有效防止纳米纤维隔膜在高温条件下作业产生的尺寸收缩,从而有助于提高锂电池的安全性能。
本发明中,通过将制备的耐热纳米纤维引入到PP原料中,通过熔融流延成膜以及拉伸、热定型,得到多孔聚合物纳米纤维膜,并将配制的涂敷液涂敷在其表面,从而得到高空隙率的隔膜,不仅具有很好的吸液率以及电导率,而且热稳定性以及耐热收缩率优异,在高温条件下作业不易产生尺寸收缩,从而有助于提高锂电池的安全性能。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,该纳米纤维隔膜材料由多孔聚合物纳米纤维膜和含有无机纳米颗粒的涂敷浆料组成;其中多孔聚合物纳米纤维膜是由含有耐热纳米纤维的聚合物经流延成膜而成,多孔聚合物纳米纤维膜中耐热纳米纤维的质量占聚合物质量的20%;涂敷浆料是由PVA、多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒以及去离子水组合而成;其中PVA的质量占去离子水质量的60%,多巴胺的质量占去离子水质量的30%,复合纳米氧化铝颗粒的质量占去离子水质量的10%。
其中,多孔聚合物纳米纤维膜的制备方法如下:
1)将5g耐热纳米纤维和1g硅烷偶联剂KH-550加入到100mL无水乙醇中,在80℃下回流5h,用去离子水冲洗干净并真空过滤,在80℃下烘干10h,得到改性耐热纳米纤维,将其与PP粒料混合均匀后添加到双螺杆挤出机中,通过双螺杆挤出机挤出造粒,控制熔体温度180℃,熔体压力1.2MPa,得到耐热PP母粒;
2)控制超高分子量聚乙烯的用量占耐热PP母粒质量的5%,利用搅拌混合机将二者预混均匀,投入双螺杆挤出机中,加入占耐热PP母粒质量15%的石蜡油,在200℃下熔融混炼挤出流延成膜,冷却后在120℃下进行同步双向拉伸处理,控制拉伸倍率为6,待拉伸后用二氯甲烷对薄膜进行萃取10min,然后将萃取晾干20h后的薄膜在130℃下热定型60s,即可得到多孔聚合物纳米纤维膜。
上述,耐热纳米纤维的制备方法如下:
1)将3mL3-氨丙基三乙氧基硅烷、0.1gN,N’-二环己基碳二亚胺和0.01g4-二甲氨基吡啶加入到100mL无水四氢呋喃中,强力搅拌至完全溶解,随后将氧化处理后的纳米碳纤维浸入反应液中,在氮气保护下60℃反应20h,待反应结束后,取出碳纤维,用无水四氢呋喃反复清洗后烘干,得到胺基化碳纤维;
2)将胺基化碳纤维浸入到由3mL蒸馏水、5mL浓氨水以及80mL无水乙醇组成的混合液中,随后升温至40℃,迅速加入浓度为0.03mol/L的正硅酸乙酯,控制正硅酸乙酯占混合液体积的10%,并在此温度下反应15h,待反应结束后,取出碳纤维,用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干,得到改性碳纤维;
3)取0.1g改性碳纤维分散于10mL去离子水中,常温下搅拌2h,再加入1g聚乙烯醇,在60℃下搅拌5h,然后升温至90℃继续搅拌10h,得到的纺丝原液,然后在纺丝电压20kV,推进速度0.03mm/min,接受距离15cm条件下纺丝8h,即可得到耐热纳米纤维。
其中,复合纳米氧化铝颗粒的制备方法如下:
1)将300mL去离子水加入到容器中,用氮气吹扫30min,然后分别加入1mmol六水合氯化钴、0.8mmol氯化锌以及30mmol六次甲基四胺,搅拌均匀,得到混合液;
2)按照质量体积比为1:10g/mL,将纳米氧化铝颗粒加入到混合液中,在磁力搅拌下,将混合液加热至120℃,反应5h后冷却至室温,待反应结束后进行真空抽滤,将产物用去离子水和乙醇反复离心洗涤,在60℃下干燥10h,即可得到复合纳米氧化铝颗粒。
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料的制备方法,具体制备方法包括如下步骤:
将PVA粉末加入到容器中,往其中加入去离子水,溶胀20h,在85℃下以50r/min保温搅拌3h,得到PVA溶液,然后将多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒加入到PVA溶液中,在40℃下以100r/min搅拌10h,得到涂敷浆料,然后采用浸涂法,将涂敷浆料均匀的涂敷在多孔聚合物纳米纤维膜上,在室温下晾干后置于真空烘干箱中,在50℃下干燥5h,即可得到所需的纳米纤维隔膜材料。
实施例2
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,该纳米纤维隔膜材料由多孔聚合物纳米纤维膜和含有无机纳米颗粒的涂敷浆料组成;其中多孔聚合物纳米纤维膜是由含有耐热纳米纤维的聚合物经流延成膜而成,多孔聚合物纳米纤维膜中耐热纳米纤维的质量占聚合物质量的40%;涂敷浆料是由PVA、多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒以及去离子水组合而成;其中PVA的质量占去离子水质量的55%,多巴胺的质量占去离子水质量的35%,复合纳米氧化铝颗粒的质量占去离子水质量的10%。
其中,多孔聚合物纳米纤维膜的制备方法如下:
1)将10g耐热纳米纤维和2g硅烷偶联剂KH-550加入到150mL无水乙醇中,在82℃下回流7h,用去离子水冲洗干净并真空过滤,在85℃下烘干13h,得到改性耐热纳米纤维,将其与PP粒料混合均匀后添加到双螺杆挤出机中,通过双螺杆挤出机挤出造粒,控制熔体温度190℃,熔体压力1.3MPa,得到耐热PP母粒;
2)控制超高分子量聚乙烯的用量占耐热PP母粒质量的10%,利用搅拌混合机将二者预混均匀,投入双螺杆挤出机中,加入占耐热PP母粒质量20%的石蜡油,在203℃下熔融混炼挤出流延成膜,冷却后在125℃下进行同步双向拉伸处理,控制拉伸倍率为7,待拉伸后用二氯甲烷对薄膜进行萃取12min,然后将萃取晾干25h后的薄膜在135℃下热定型100s,即可得到多孔聚合物纳米纤维膜。
上述,耐热纳米纤维的制备方法如下:
1)将5mL3-氨丙基三乙氧基硅烷、0.2gN,N’-二环己基碳二亚胺和0.03g4-二甲氨基吡啶加入到130mL无水四氢呋喃中,强力搅拌至完全溶解,随后将氧化处理后的纳米碳纤维浸入反应液中,在氮气保护下65℃反应23h,待反应结束后,取出碳纤维,用无水四氢呋喃反复清洗后烘干,得到胺基化碳纤维;
2)将胺基化碳纤维浸入到由7mL蒸馏水、10mL浓氨水以及85mL无水乙醇组成的混合液中,随后升温至45℃,迅速加入浓度为0.05mol/L的正硅酸乙酯,控制正硅酸乙酯占混合液体积的15%,并在此温度下反应17h,待反应结束后,取出碳纤维,用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干,得到改性碳纤维;
3)取0.5g改性碳纤维分散于20mL去离子水中,常温下搅拌3h,再加入2g聚乙烯醇,在65℃下搅拌7h,然后升温至92℃继续搅拌12h,得到的纺丝原液,然后在纺丝电压23kV,推进速度0.05mm/min,接受距离18cm条件下纺丝9h,即可得到耐热纳米纤维。
其中,复合纳米氧化铝颗粒的制备方法如下:
1)将400mL去离子水加入到容器中,用氮气吹扫40min,然后分别加入2mmol六水合氯化钴、1.6mmol氯化锌以及40mmol六次甲基四胺,搅拌均匀,得到混合液;
2)按照质量体积比为1:15g/mL,将纳米氧化铝颗粒加入到混合液中,在磁力搅拌下,将混合液加热至125℃,反应6h后冷却至室温,待反应结束后进行真空抽滤,将产物用去离子水和乙醇反复离心洗涤,在70℃下干燥13h,即可得到复合纳米氧化铝颗粒。
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料的制备方法,具体制备方法包括如下步骤:
将PVA粉末加入到容器中,往其中加入去离子水,溶胀25h,在86℃下以100r/min保温搅拌5h,得到PVA溶液,然后将多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒加入到PVA溶液中,在45℃下以150r/min搅拌12h,得到涂敷浆料,然后采用浸涂法,将涂敷浆料均匀的涂敷在多孔聚合物纳米纤维膜上,在室温下晾干后置于真空烘干箱中,在60℃下干燥8h,即可得到所需的纳米纤维隔膜材料。
实施例3
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,该纳米纤维隔膜材料由多孔聚合物纳米纤维膜和含有无机纳米颗粒的涂敷浆料组成;其中多孔聚合物纳米纤维膜是由含有耐热纳米纤维的聚合物经流延成膜而成,多孔聚合物纳米纤维膜中耐热纳米纤维的质量占聚合物质量的45%;涂敷浆料是由PVA、多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒以及去离子水组合而成;其中PVA的质量占去离子水质量的70%,多巴胺的质量占去离子水质量的25%,复合纳米氧化铝颗粒的质量占去离子水质量的5%。
其中,多孔聚合物纳米纤维膜的制备方法如下:
1)将15g耐热纳米纤维和3g硅烷偶联剂KH-550加入到200mL无水乙醇中,在85℃下回流10h,用去离子水冲洗干净并真空过滤,在90℃下烘干15h,得到改性耐热纳米纤维,将其与PP粒料混合均匀后添加到双螺杆挤出机中,通过双螺杆挤出机挤出造粒,控制熔体温度200℃,熔体压力1.5MPa,得到耐热PP母粒;
2)控制超高分子量聚乙烯的用量占耐热PP母粒质量的15%,利用搅拌混合机将二者预混均匀,投入双螺杆挤出机中,加入占耐热PP母粒质量25%的石蜡油,在205℃下熔融混炼挤出流延成膜,冷却后在130℃下进行同步双向拉伸处理,控制拉伸倍率为8,待拉伸后用二氯甲烷对薄膜进行萃取15min,然后将萃取晾干30h后的薄膜在138℃下热定型120s,即可得到多孔聚合物纳米纤维膜。
上述,耐热纳米纤维的制备方法如下:
1)将10mL3-氨丙基三乙氧基硅烷、0.3gN,N’-二环己基碳二亚胺和0.05g4-二甲氨基吡啶加入到150mL无水四氢呋喃中,强力搅拌至完全溶解,随后将氧化处理后的纳米碳纤维浸入反应液中,在氮气保护下70℃反应25h,待反应结束后,取出碳纤维,用无水四氢呋喃反复清洗后烘干,得到胺基化碳纤维;
2)将胺基化碳纤维浸入到由10mL蒸馏水、15mL浓氨水以及90mL无水乙醇组成的混合液中,随后升温至50℃,迅速加入浓度为0.08mol/L的正硅酸乙酯,控制正硅酸乙酯占混合液体积的20%,并在此温度下反应20h,待反应结束后,取出碳纤维,用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干,得到改性碳纤维;
3)取1.0g改性碳纤维分散于30mL去离子水中,常温下搅拌5h,再加入5g聚乙烯醇,在70℃下搅拌10h,然后升温至95℃继续搅拌15h,得到的纺丝原液,然后在纺丝电压25kV,推进速度0.08mm/min,接受距离20cm条件下纺丝10h,即可得到耐热纳米纤维。
其中,复合纳米氧化铝颗粒的制备方法如下:
1)将500mL去离子水加入到容器中,用氮气吹扫50min,然后分别加入3mmol六水合氯化钴、2mmol氯化锌以及50mmol六次甲基四胺,搅拌均匀,得到混合液;
2)按照质量体积比为1:20g/mL,将纳米氧化铝颗粒加入到混合液中,在磁力搅拌下,将混合液加热至130℃,反应8h后冷却至室温,待反应结束后进行真空抽滤,将产物用去离子水和乙醇反复离心洗涤,在80℃下干燥15h,即可得到复合纳米氧化铝颗粒。
一种锂电池用纳米纤维隔膜材料的制备方法,具体制备方法包括如下步骤:
将PVA粉末加入到容器中,往其中加入去离子水,溶胀30h,在90℃下以130r/min保温搅拌7h,得到PVA溶液,然后将多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒加入到PVA溶液中,在50℃下以200r/min搅拌15h,得到涂敷浆料,然后采用浸涂法,将涂敷浆料均匀的涂敷在多孔聚合物纳米纤维膜上,在室温下晾干后置于真空烘干箱中,在70℃下干燥10h,即可得到所需的纳米纤维隔膜材料。
对比例1:本对比例与实施例1基本相同,不同之处在于,纳米纤维隔膜材料中不含有涂覆浆料。
对比例2:本对比例与实施例1基本相同,不同之处在于,涂覆浆料中不含有复合纳米氧化铝颗粒。
对比例3:本对比例与实施例1基本相同,不同之处在于,多孔聚合物纳米纤维膜中不含有耐热纳米纤维。
对比例4:本对比例与实施例1基本相同,不同之处在于,纳米纤维隔膜材料中不含有涂覆浆料,并且多孔聚合物纳米纤维膜中不含有耐热纳米纤维。
测试实验1,孔隙率和吸液率测试:
采用正丁醇浸润法测量本实施例1-3制备的纳米纤维隔膜材料的孔隙率,测试过程及条件如下:
将纳米纤维隔膜材料在正丁醇中浸润24h,取出后用滤纸擦干,直到表面没有残液,利用孔隙率公式计算隔膜的孔隙率:
式(1)中,m1和m2分别代表隔膜在浸润正丁醇前、后的质量,ρB代表正丁醇的密度(0.81g/cm3),V1代表多孔纤维隔膜的表观体积。
采用凝胶电解质前驱液浸润法测量本实施例1-3制备的纳米纤维隔膜材料的吸液率,测试过程及条件如下:
将纳米纤维隔膜材料在凝胶电解质前驱液中浸润24h,取出后用滤纸擦干,直到湿隔膜的重量不再变化,利用吸液率公式计算隔膜的吸液率:
式(2)中,mo和m’分别代表隔膜在浸润凝胶电解质前驱液前、后的质量。
表1为实施例1-3的纳米纤维隔膜材料的孔隙率和吸液率
实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | |
孔隙率% | 82.7 | 84.1 | 83.6 |
吸液率% | 41.3 | 42.8 | 42.1 |
通过表1可以看出,本发明中制备的纳米纤维隔膜材料具有82.7%以上的孔隙率,以及41.3%以上的吸液率,完全可以满足锂电池隔膜的基础性能要求。
测试实验2,耐热性能测试:
由于单向拉伸的纳米纤维隔膜材料在高温下会在拉伸方向(纵向)发生明显收缩,而在横向上不发生收缩现象,并且经过多次测试发现单向拉伸的纳米纤维隔膜材料在100℃下纵向也基本不发生收缩反应,因此选在100℃为起始参考温度,即纳米纤维隔膜材料在100℃时的热收缩率为0%,从100℃开始,以10℃为测试梯度,选取5个温度100℃、110℃、120℃、130℃和140℃对实施例1-3以及对比例1-4提供的隔膜试样进行耐热性能测试。
测试方法:
将隔膜试样裁剪成2cm×2cm的正方形试样片,为防止其受热产生卷曲导致不易测量,将试样夹入两片载玻片中,记录纵向长度为L1,待恒温鼓风干燥箱温度稳定后,将试样放入其中,恒温1h后取出,再次测量纵向长度,记此时长度为L2,计算热收缩率:
表2为实施例1-3以及对比例1-4的纳米纤维隔膜材料的热收缩率
通过表2可以看出,本发明中制备的纳米纤维隔膜材料,其耐热收缩率小,耐热性能优异,在高温条件下作业不易产生尺寸收缩,从而有助于提高锂电池的安全性能。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,其特征在于,该纳米纤维隔膜材料由多孔聚合物纳米纤维膜和含有无机纳米颗粒的涂敷浆料组成;其中多孔聚合物纳米纤维膜是由含有耐热纳米纤维的聚合物经流延成膜而成,多孔聚合物纳米纤维膜中耐热纳米纤维的质量占聚合物质量的20-65%;涂敷浆料是由PVA、多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒以及去离子水组合而成;其中PVA的质量占去离子水质量的30-80%,多巴胺的质量占去离子水质量的10-50%,复合纳米氧化铝颗粒的质量占去离子水质量的5-20%;
所述多孔聚合物纳米纤维膜的制备方法如下:
1)将耐热纳米纤维、和硅烷偶联剂KH-550加入到无水乙醇中,在80-85℃下回流5-10h,用去离子水冲洗干净并真空过滤,烘干后得到改性耐热纳米纤维,将其与PP粒料混合均匀后添加到双螺杆挤出机中,通过双螺杆挤出机挤出造粒,控制熔体温度180-200℃,熔体压力1.2-1.5MPa,得到耐热PP母粒;
2)利用搅拌混合机将超高分子量聚乙烯和耐热PP母粒预混均匀,投入双螺杆挤出机中,加入石蜡油,在200-205℃下熔融混炼挤出流延成膜,冷却后在120-130℃下进行同步双向拉伸处理,待拉伸后用二氯甲烷对薄膜进行萃取,然后将萃取晾干20-30h后的薄膜在130-138℃下热定型,即可得到多孔聚合物纳米纤维膜;
所述耐热纳米纤维的制备方法如下:
1)将3-氨丙基三乙氧基硅烷、N,N,-二环己基碳二亚胺和4-二甲氨基吡啶加入到无水四氢呋喃中,强力搅拌至完全溶解,随后将氧化处理后的纳米碳纤维浸入反应液中,在氮气保护下60-70℃反应20-25h,待反应结束后,取出碳纤维,用无水四氢呋喃反复清洗后烘干,得到胺基化碳纤维;
2)将胺基化碳纤维浸入到由蒸馏水、浓氨水以及无水乙醇组成的混合液中,随后升温至40-50℃,迅速加入浓度为0.03-0.08mol/L的正硅酸乙酯,并在此温度下反应15-20h,待反应结束后,取出碳纤维,用去离子水和无水乙醇反复清洗后烘干,得到改性碳纤维;
3)将改性碳纤维分散于去离子水中,常温下搅拌2-5h,再加入聚乙烯醇,在60-70℃下搅拌5-10h,然后升温至90-95℃继续搅拌10-15h,得到的纺丝原液,然后在纺丝电压20-25kV,推进速度0.03-0.08mm/min,接受距离15-20cm条件下纺丝8-10h,即可得到耐热纳米纤维;
所述复合纳米氧化铝颗粒的制备方法如下:
1)将去离子水加入到容器中,用氮气吹扫30-50min,然后分别加入六水合氯化钴、氯化锌以及六次甲基四胺,搅拌均匀,得到混合液;
2)将纳米氧化铝颗粒加入到该混合液中,在磁力搅拌下,将该混合液加热至120-130℃,反应5-8h后冷却至室温,待反应结束后进行真空抽滤,将产物用去离子水和乙醇反复离心洗涤,在60-80℃下干燥10-15h,即可得到复合纳米氧化铝颗粒。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,其特征在于,步骤1)中,所述耐热纳米纤维、硅烷偶联剂KH-550以及无水乙醇的用量比例为(5-15)g:(1-3)g:(100-200)mL。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,其特征在于,步骤2)中,所述超高分子量聚乙烯的用量占耐热PP母粒质量的5-15%;
所述石蜡油的用量占耐热PP母粒质量15-25%;
拉伸倍率为6-8;
萃取时间10-15min;
所述热定型时间60-120s。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,其特征在于,所述3-氨丙基三乙氧基硅烷、N,N,-二环己基碳二亚胺、4-二甲氨基吡啶以及无水四氢呋喃的比例为(3-10)mL:(0.1-0.3)g:(0.1-0.05)g:(100-150)mL;
所述由胺基化碳纤、蒸馏水、浓氨水以及无水乙醇组成的混合液中,蒸馏水、浓氨水以及无水乙醇的比例为(3-10):(5-15):(80-90);
所述正硅酸乙酯占由胺基化碳纤、蒸馏水、浓氨水以及无水乙醇组成的混合液体积的10-20%;
所述纺丝原液中,改性碳纤维、去离子水中以及聚乙烯醇的比例为(0.1-1.0)g:(10-30)mL:(1-5)g。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,其特征在于,所述纳米碳纤维的氧化处理操作如下:
将纳米碳纤维浸入到浓硝酸溶液中,在80-85℃下反应2-5h,待反应结束后,用去离子水将氧化处理后的纳米碳纤维反复洗涤,直至滤液呈中性,烘干后即可。
6.根据权利要求1所述的一种锂电池用纳米纤维隔膜材料,其特征在于,由去离子水、六水合氯化钴、氯化锌以及六次甲基四胺组成的混合液中,六水合氯化钴、氯化锌、六次甲基四胺以及去离子水的比例为(1-3)mmol:(0.8-2.0)mmol:(30-50)mmol:(300-500)mL;
所述纳米氧化铝颗粒与由去离子水、六水合氯化钴、氯化锌以及六次甲基四胺组成的混合液的质量体积比为1:10-20g/mL。
7.一种根据权利要求1所述的锂电池用纳米纤维隔膜材料的制备方法,其特征在于,具体制备方法包括如下步骤:
将PVA粉末加入到容器中,往其中加入去离子水,溶胀20-30h,在85-90℃下以50-130r/min保温搅拌3-7h,得到PVA溶液,然后将多巴胺、复合纳米氧化铝颗粒加入到PVA溶液中,在40-50℃下以100-200r/min搅拌10-15h,得到涂敷浆料,然后采用浸涂法,将涂敷浆料均匀的涂敷在多孔聚合物纳米纤维膜上,在室温下晾干后置于真空烘干箱中,在50-70℃下干燥5-10h,即可得到所需的纳米纤维隔膜材料。
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