CN111341981A - 一种纤维增强的锂离子电池薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强的锂离子电池薄膜及其制备方法,属于锂离子电池隔膜技术领域,本发明将聚合物纤维分散在胶黏剂溶液中,然后涂布于聚烯烃膜上,真空干燥后,使聚合物纤维黏结在聚烯烃膜基底上,得到纤维增强的聚烯烃膜材料,使用本发明方法制备的聚烯烃类锂电池复合隔膜,具有良好的热稳定性,130℃下处理1h,其热收缩率在5%以内,克服了常规的聚烯烃隔膜在高温时易出现大尺度体积收缩,从而导致锂离子电池的安全问题,这种制备方法操作简便,且涂布材料较轻,实用性强,具有工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池隔膜技术领域,特别是涉及一种纤维增强的锂离子电池薄膜及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是一类高效、清洁的新能源,具有能量密度高、循环寿命长、环境友好、无记忆效应、自放电率低等优点。目前已经广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、电网储能等新能源领域。
锂电池隔膜可以防止电池正负极直接接触而产生短路现象,同时在电化学反应时传递电解质离子,使电池形成完整回路。目前,锂离子电池隔膜材料主要是单层或多层的由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、以及聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯等聚烯烃微孔薄膜。但是,聚烯烃隔膜的热稳定性比较差,当锂离子电池温度过高时,聚烯烃隔膜会收缩,从而导致锂离子电池短路,以致电池过热发生***或着火,产生安全问题。
目前,增强聚烯烃类锂电池隔膜热稳定性的方法主要有:薄膜表面接枝耐热基团、薄膜材料交联、添加耐热涂层等方式。薄膜表面接枝耐热基团以及薄膜材料交联可以有效提高聚烯烃类隔膜的热稳定性,但其操作步骤复杂,效率较低,难以实现工业化生产;添加耐热涂层易堵塞膜表面的孔结构,降低电池效率。
发明内容
本发明针对锂离子电池聚烯烃隔膜的稳定性差、改性方法结构复杂等问题,提供一种纤维增强的锂离子电池薄膜及其制备方法,采用该方法制备的隔膜为复合膜,以聚烯烃隔膜为基底材料,粘结聚合物纤维,形成纤维增强改性的复合薄膜,从而提高隔膜的热稳定性以及尺寸稳定性。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种纤维增强的锂离子电池薄膜,所述锂离子电池隔膜的组成材料包括:聚烯烃膜基底、用于增强聚烯烃膜基底的聚合物纤维、用于粘接聚合物纤维的黏结剂。
进一步地,所述聚烯烃膜基底包括:聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯/聚丙烯复合膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜。
进一步地,所述用于增强聚烯烃膜基底的聚合物纤维包括:聚酰亚胺纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、聚酯纤维中的一种或者几种,包括其微米级纤维和纳米级纤维,它们都具有优良的耐热性能和机械性能。
进一步地,所述用于粘接聚合物纤维的黏结剂包括:聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚丙烯酸(PAA)、羧甲基纤维素(CMC)、丁苯胶乳(SBR)或聚氨酯。
本发明还提供了一种上述的纤维增强的锂离子电池薄膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)将黏结剂于有机溶剂或水中溶解,制备相应的黏结剂溶液;
(2)将用于增强聚烯烃膜基底的聚合物纤维分散在黏结剂溶液中;
(3)将所述分散有聚合物纤维的黏结剂溶液涂布在聚烯烃隔膜上,然后真空干燥,得到所述纤维增强的锂离子电池隔膜。
进一步地,步骤(1)中,所述黏结剂溶液的质量浓度为0.3%~10%。
进一步地,步骤(1)中,所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃中的一种或者几种。
进一步地,步骤(2)中,所述用于增强聚烯烃膜基底的聚合物纤维在黏结剂溶液中的质量浓度为0.1%~3%。
进一步地,步骤(3)中,所述真空干燥温度为30~300℃。
进一步地,步骤(3)中,所述真空干燥时间为0.1~50h。
本发明公开了以下技术效果:
采用本发明方法制备的隔膜为复合膜,以聚烯烃隔膜为基底材料,粘结聚合物纤维,形成纤维增强改性的复合薄膜,从而提高隔膜的热稳定性以及尺寸稳定性。
本发明的纤维增强的锂离子电池薄膜不仅保持了聚烯烃膜基底材料的优良的绝缘性、化学稳定性、高空隙率等优点外,而且有效提高聚烯烃膜基底电池隔膜的支撑强度,大大提高了隔膜的热稳定性。
本发明的优点体现在:
1、本发明工艺制备的复合隔膜具有很好的热稳定性,在130℃下放置1h,收缩率在5%以内。
2、本发明制备的复合膜中,聚合物纤维粘结在聚烯烃隔膜上,不会出现堵孔现象而影响锂离子的传输。
3、本发明工艺操作简单,条件温和,易于实现工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制备的PI纤维增强的PE复合膜的扫描电镜图;
图2为实施例2制备的PI纤维增强的PE复合膜的扫描电镜图;
图3为实施例1的纤维增强PE复合膜与PE基膜的充电容量保持率对比图;
图4为实施例1的纤维增强PE复合膜与PE基膜的放电容量保持率对比图;
图5为实施例1的纤维增强PE复合膜与PE基膜的库伦效率对比图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等,均为开放性的用语,即意指包含但不限于。
实施例1
制备PI胶黏剂溶液:将1.5g PI加入100ml的N,N-二甲基甲酰胺中,搅拌24h溶解后,得到透明均一的PI溶液。
制备PI纳米纤维分散液:将0.5g静电纺丝得到的PI纤维加入到上述PI溶液中,搅拌分散。
制备PI纤维增强的PE复合膜:将上述分散有PI纳米纤维的PI溶液用刮刀涂布于商用聚乙烯隔膜上,在80℃真空烘箱干燥20h后得到PI纤维增强的PE复合膜。
对实施例1制备的PI纤维增强的PE复合膜进行电镜扫描,结果如图1所示。
由PI胶黏剂粘结的PI纤维增强的PE复合膜进行热稳定性以及尺寸稳定性测试:
将干燥后的PI纤维增强的PE复合膜放入130℃烘箱中加热,1h后取出,测量复合膜的尺寸,并且计算热收缩率,结果如表1所示。
表1
实施例2
制备PVDF胶黏剂溶液:将3g PVDF加入100mL的N,N-二甲基甲酰胺中,搅拌24h后,得到透明均一的PVDF溶液。
制备PI纤维分散液:将0.5g静电纺丝得到的PI纤维加入到上述PVDF溶液中,搅拌分散。
制备PI纤维增强的PE复合膜:将上述分散有PI纤维的PVDF溶液用刮刀涂布于商用聚乙烯隔膜上,在80℃真空烘箱干燥20h后得到PI纤维增强的PE复合膜。
对实施例2制备的PI纤维增强的PE复合膜进行电镜扫描,结果如图2所示。
由PVDF粘结的PI纤维增强的PE复合膜进行热稳定性以及尺寸稳定性测试:
将干燥后的PI纤维增强的PE复合膜放入130℃烘箱中加热,1h后取出,测量复合膜的尺寸,并且计算热收缩率,结果如表2所示。
表2
实施例3
制备PVDF胶黏剂溶液:将3g PVDF加入100mL的水中,搅拌24h后,得到透明均一的PVDF溶液。
制备芳纶纤维分散液:将0.5g芳纶纳米纤维加入到上述PVDF溶液中,搅拌分散。
制备芳纶纤维增强的PE复合膜:将上述分散有芳纶纳米纤维的PVDF溶液用刮刀涂布于商用聚乙烯隔膜上,在80℃真空烘箱干燥20h后得到芳纶纳米纤维增强的PE复合膜。
芳纶纤维增强的PE复合膜进行热稳定性以及尺寸稳定性测试:
将干燥后的PI纤维增强的PE复合膜放入130℃烘箱中加热,1h后取出,测量复合膜的尺寸,并且计算热收缩率,结果如表3所示。
表3
实施例4
制备CMC胶黏剂溶液:将3g CMC加入100mL的水中,搅拌24h后,得到透明均一的CMC溶液。
制备PI纤维分散液:将0.5g静电纺丝得到的PI纤维加入到上述CMC溶液中,搅拌分散。
制备PI纤维增强的PE复合膜:将上述分散有PI纤维的CMC溶液用刮刀涂布于商用聚乙烯隔膜上,在80℃真空烘箱干燥12h后得到PI纤维增强的PE复合膜。
由CMC粘结的PI纤维增强的PE复合膜进行热稳定性以及尺寸稳定性测试:
将干燥后的PI纤维增强的PE复合膜放入130℃烘箱中加热,1h后取出,测量复合膜的尺寸,并且计算热收缩率,结果如表4所示。
表4
试验:
在得到纤维增强的锂离子电池隔膜后,分别采用实施例得到的纤维增强电池隔膜、商用PE隔膜作为锂离子电池隔膜,NCA(锂离子电池用三元材料)作为电池正极材料,锂片为负极材料,电解液为LB-002(1.0M LiPF6,碳酸乙烯酯:碳酸二甲酯:碳酸二乙酯=1:1:1)组装成扣电池测试电池性能。电池测试时,设置电压上限为4.3V,电压下限为2.5V,测试温度为常温,测试倍率为0.5C,3C,8C各循环100圈。
结果如图3-5所示,其中,图3为实施例1的纤维增强PE复合膜与PE基膜的充电容量保持率对比图;图4为实施例1的纤维增强PE复合膜与PE基膜的放电容量保持率对比图;图5为实施例1的纤维增强PE复合膜与PE基膜的库伦效率对比图。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种纤维增强的锂离子电池薄膜,其特征在于,所述锂离子电池隔膜的组成材料包括:聚烯烃膜基底、用于增强聚烯烃膜的聚合物纤维、用于粘接聚合物纤维的黏结剂。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强的锂离子电池薄膜,其特征在于,所述聚烯烃膜基底包括:聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚乙烯/聚丙烯复合膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合膜。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强的锂离子电池薄膜,其特征在于,所述用于增强聚烯烃膜的聚合物纤维包括:聚酰亚胺纤维、聚酰胺纤维、芳纶纤维、聚酯纤维中的一种或者几种。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强的锂离子电池薄膜,其特征在于,所述用于粘接聚合物纤维的黏结剂包括:聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚丙烯酸(PAA)、羧甲基纤维素(CMC)、丁苯胶乳(SBR)或聚氨酯。
5.一种权利要求1-4任一项所述的纤维增强的锂离子电池薄膜的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将黏结剂于有机溶剂或水中溶解,制备相应的黏结剂溶液;
(2)将用于增强聚烯烃膜基底的聚合物纤维分散在黏结剂溶液中;
(3)将所述分散有聚合物纤维的黏结剂溶液涂布在聚烯烃隔膜上,然后真空干燥,得到所述纤维增强的锂离子电池隔膜。
6.根据权利要求5所述的纤维增强的锂离子电池薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述黏结剂溶液的质量浓度为0.3%~10%。
7.根据权利要求5所述的纤维增强的锂离子电池薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、异丙醇、二甲基亚砜、氯仿、四氢呋喃中的一种或者几种。
8.根据权利要求5所述的纤维增强的锂离子电池薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述用于增强聚烯烃膜基底的聚合物纤维在黏结剂溶液中的质量浓度为0.1%~3%。
9.根据权利要求5所述的纤维增强的锂离子电池薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述真空干燥温度为30~300℃。
10.根据权利要求5所述的纤维增强的锂离子电池薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述真空干燥时间为0.1~50h。
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