CN112467303B - 一种可降解锂电池隔膜及其制备方法 - Google Patents
一种可降解锂电池隔膜及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种可降解锂电池隔膜及其制备方法,包括如下步骤:(1)将可降解高分子材料粉碎后烘干,按配比称取原材料可降解高分子材料、增强材料、水溶性造孔溶剂,并混合均匀,得到混合物料;(2)将所述混合物料投入挤出机中进行熔融挤出后经口模流延至冷却辊定型,得到流延膜片;(3)将所述流延膜片先经过同步双向拉伸,然后进行交联,去除所述水溶性造孔剂后成孔,再进行热处理后收卷,制得可降解锂电池隔膜。本发明的可降解锂电池隔膜与目前使用的聚烯烃微孔隔膜相比具有可降解型性,能够减缓锂离子电池二次回收带来的环境污染问题。本发明的可降解锂电池隔膜具有三维立体网状结构及较好的机械性能、耐热性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池隔膜技术领域,具体涉及一种可降解锂电池隔膜及其制备方法。
背景技术
锂离子电池产业作为重点发展的新能源、新能源汽车和新材料三大产业中的交叉产业,锂离子电池市场保持高速增长态势。2018年国内锂离子电池市场产量同比增长26.71%,达102.00GWh。中国在全球产量占比达54.03%,目前已经成为全球最大的锂离子电池制造国。
随着锂离子电池产量的攀升,其带来的资源回收与环境污染问题日趋严重,比如电池中的正极材料钴酸锂、镍钴锰酸锂中的贵金属钴镍,负极石墨,集流体铝、铜(超高纯度),壳体等。目前锂离子电池中大部分组件已经能够实现提取回收再利用。但是隔膜一般是聚烯烃类的微孔薄膜,由于浸泡在电解液中存在回收收益低、回收风险大的问题。由于难处理会形成白色污染源。
所以,为了彻底解决锂离子电池二次回收问题,形成可持续发展产业链条,减轻环境负担,迫切需要解决锂电池隔膜的回收问题。
发明内容
为了解决锂电池隔膜回收的技术问题,而提供一种可降解锂电池隔膜及其制备方法。本发明的锂电池隔膜与目前使用的聚烯烃微孔隔膜相比具有可降解型性,能够减缓锂离子电池二次回收带来的环境污染问题。
为了达到以上目的,本发明通过以下技术方案实现:
一种可降解锂电池隔膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)将可降解高分子材料粉碎后烘干,按配比称取原材料可降解高分子材料、增强材料、水溶性造孔剂,并混合均匀,得到混合物料;
(2)将所述混合物料投入挤出机中进行熔融挤出后经口模流延至冷却辊定型,得到流延膜片;
(3)将所述流延膜片先经过同步双向拉伸,然后进行交联,去除所述水溶性造孔剂后成孔,再进行热处理后收卷,制得可降解锂电池隔膜。
进一步地,所述可降解高分子材料为PVA、PLA、PBAT中的一种或几种;所述增强材料为多孔二氧化硅;所述水溶性造孔剂为丙三醇。
再进一步地,所述可降解高分子材料为PVA、PLA、PBAT的混合物。
再进一步地,所述原材料以重量百分数计:PVA 10%~20%、PLA 20%~30%、PBAT 5%~10%、多孔二氧化硅5%~10%、水溶性造孔剂30%~60%。
进一步地,步骤(1)中粉碎后所述可降解高分子材料的粒径为10μm~40μm;所述烘干采用旋转抽真空烘干机进行干燥,所述烘干的温度为50℃~80℃,抽真空度小于-50KPa,干燥时间30min~120min;所述混合采用分散剂进行搅拌混合,搅拌转速为50rpm~200rpm,混合时间为30min~120min,搅拌温度40℃~80℃。
进一步地,步骤(2)中所述熔融挤出的温度为180℃~220℃,所述挤出机的螺杆转速为50rpm~200rpm、挤出量为150kg/h~400kg/h;所述冷却辊的温度为5℃~40℃。
进一步地,步骤(3)中所述同步双向拉伸为纵向拉伸和横向拉伸同时进行,所述双向拉伸的温度为100℃~130℃,所述纵向拉伸的倍率为2倍~8倍,所述横向拉伸的倍率为2倍~8倍。
进一步地,步骤(3)中交联采用浓度为3.8wt%-17.6wt%的硼酸溶液于温度25~70℃下将经过同步双向拉伸后膜浸泡其中;去除所述水溶性造孔剂的过程是采用水将交联后的膜进行洗涤,水溶性造孔剂溶于水后形成微孔;所述热处理的温度为100℃~160℃。
本发明利益方面提供由上述制备方法制得的可降解锂电池隔膜。
有益技术效果:
本发明以可降解材料PVA、PLA、PBAT为隔膜基体材料,以多孔二氧化硅为功能性增强材料,以水溶性丙三醇为造孔剂,采用挤出流延技术制备隔膜基膜,然后将隔膜基膜经过同步双向拉伸进一步提高机械强度,再通过浸于硼酸溶液槽中于硼酸进行交联反应,硼酸在水中溶解后生成水合硼酸[H2O·B(OH)3],电离产生B(OH)4 -和H+,PVA分子链上的羟基与B(OH)4 -发生酯化反应,生成两个稳定的六元环状结构得到三维立体网状交联结构,再经过水槽洗涤出丙三醇造孔剂进而形成微孔结构,最后经热处理、收卷制备出可降解锂电池隔膜。
本发明的锂电池隔膜能够应用于高端动力电池领域,制备方法简单。
本发明的可降解锂电池隔膜在后续锂电池二次回收过程中,隔膜可直接通过堆肥、填埋进行处理,堆肥、填埋的过程中在细菌的作用下实现完全降解,不污染环境,极大的缓解了环境压力。另外,本发明制备的可降解锂电池隔膜经过硼酸交联反应后具有三维立体网状结构,提高了隔膜机械性能和耐热性能;又由于隔膜基体材料中具有丰富的极性基团,极大提高了隔膜与电解液的保液性。最后,本发明的可降解锂电池隔膜采用水溶性造孔剂成孔,孔径分布均一,孔隙率高,区别于常规使用二氯甲烷溶剂进行造孔,本发明以水溶性造孔剂进行造孔具有低成本、高环保的特点,溶于水的造孔剂能够通过循环***回收再利用。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例,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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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他实施例,都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
以下实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照国家标准测定;若没有相应的国家标准,则按照通用的国际标准、或相关企业提出的标准要求进行。除非另有说明,否则所有的份数为重量份,所有的百分比为重量百分比。
以下实施例所用原材料:PVA为日本可乐丽公司生产的1799产品;PLA为中国台湾耐特科技材料有限公司生产的GF0010N HT092MC产品;PBAT为韩国友星化学生产的BF103产品;多孔二氧化硅为加拿大MATSPHERES公司生产的MAT300产品;造孔剂为广州共信化工有限公司生产的丙三醇。
实施例1
一种可降解锂电池隔膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取原材料:PVA 10g,PLA 20g,PBAT 5g,多孔二氧化硅5g,丙三醇60g;
将PVA、PLA、PBAT粒子在液氮粉碎中粉碎成粒径为30μm的粉状料,在旋转抽真空烘干机中烘干除去水分,烘干温度60℃,抽真空度-50KPa,干燥时间120min;
按配比将PVA、PLA、PBAT、多孔二氧化硅、丙三醇投入到混合分散机中进行混合,搅拌转速150rpm,搅拌温度60℃,充分搅拌混合60min后混合物料;
(2)将混合物料投入挤出机中于温度200℃下进行熔融挤出,挤出机转速100rpm、挤出量为350kg/h,混合物料经螺杆挤出分散后,经口模挤出流延至冷却辊定型,冷却辊温度20℃,制成流延膜片;
(3)将流延膜片在温度为120℃下按照纵向拉伸倍率为6倍、横向拉伸倍率为6倍将流延膜片进行同步双向拉伸,拉伸后的膜浸于浓度为12.5wt%、温度40℃的硼酸溶液槽中反应交联;交联后经过超纯水洗涤去除丙三醇,丙三醇溶于水并在膜上形成微孔结构;然后在130℃温度下热处理后收卷,制成可降解锂电池隔膜。
实施例2
本实施例隔膜的制备方法与实施例1相同,不同之处在于,称取原材料:PVA 10g,PLA 15g,PBAT 5g,多孔二氧化硅5g,丙三醇60g。
实施例3
本实施例隔膜的制备方法与实施例1相同,不同之处在于,称取原材料:PVA 10g,PLA 25g,PBAT 5g,多孔二氧化硅10g,丙三醇50g。
实施例4
一种可降解锂电池隔膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取原材料:PVA 10g,PLA 25g,PBAT 5g,多孔二氧化硅10g,丙三醇50g;
将PVA、PLA、PBAT粒子在液氮粉碎中粉碎成粒径为30μm的粉状料,在旋转抽真空烘干机中烘干除去水分,烘干温度60℃,抽真空度-50KPa,干燥时间120min;
按配比将PVA、PLA、PBAT、多孔二氧化硅、丙三醇投入到混合分散机中进行混合,搅拌转速150rpm,搅拌温度60℃,充分搅拌混合60min后混合物料;
(2)将混合物料投入挤出机中于温度200℃下进行熔融挤出,挤出机转速100rpm、挤出量为350kg/h,混合物料经螺杆挤出分散后,经口模挤出流延至冷却辊定型,冷却辊温度20℃,制成流延膜片;
(3)将流延膜片在温度为120℃下按照纵向拉伸倍率为6倍、横向拉伸倍率为6倍将流延膜片进行同步双向拉伸,拉伸后的膜浸于浓度为15.9wt%、温度60℃的硼酸溶液槽中反应交联;交联后经过超纯水洗涤去除丙三醇,丙三醇溶于水并在膜上形成微孔结构;然后在140℃温度下热处理后收卷,制成可降解锂电池隔膜。
实施例5
一种可降解锂电池隔膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)称取原材料:PVA 10g,PLA 25g,PBAT 5g,多孔二氧化硅10g,丙三醇50g;
将PVA、PLA、PBAT粒子在液氮粉碎中粉碎成粒径为30μm的粉状料,在旋转抽真空烘干机中烘干除去水分,烘干温度60℃,抽真空度-50KPa,干燥时间120min;
按配比将PVA、PLA、PBAT、多孔二氧化硅、丙三醇投入到混合分散机中进行混合,搅拌转速150rpm,搅拌温度60℃,充分搅拌混合60min后混合物料;
(2)将混合物料投入挤出机中于温度200℃下进行熔融挤出,挤出机转速100rpm、挤出量为350kg/h,混合物料经螺杆挤出分散后,经口模挤出流延至冷却辊定型,冷却辊温度20℃,制成流延膜片;
(3)将流延膜片在温度为120℃下按照纵向拉伸倍率为2倍、横向拉伸倍率为2倍将流延膜片进行同步双向拉伸,拉伸后的膜浸于浓度为12.5wt%、温度40℃的硼酸溶液槽中反应交联;交联后经过超纯水洗涤去除丙三醇,丙三醇溶于水并在膜上形成微孔结构;然后在130℃温度下热处理后收卷,制成可降解锂电池隔膜。
对比例1
本实施例隔膜的制备方法与实施例1相同,不同之处在于,称取原材料:PVA 10g,PLA 25g,多孔二氧化硅5g,丙三醇60g。本对比例未添加PBAT。
对比例2
本实施例隔膜的制备方法与实施例1相同,不同之处在于,称取原材料:PVA 10g,PLA 25g,PBAT 5g,丙三醇60g。本对比例未添加添加二氧化硅。
对比例3
本比例是日本旭化成公司采用湿法与涂敷工艺生产的超高分子量聚乙烯-氧化铝陶瓷涂层隔膜。
取上述实施例以及对比例的隔膜,采用万能力学测试仪测试拉伸强度、断裂伸长率、穿刺强度、直角撕裂强度;采用称重法测试孔隙率和吸液率;采用真空烘箱干燥机测试热收缩率,测试温度120℃,时间30min,测试结果见表1。
表1为实施例及对比例制得的隔膜性能数据
由表1可知,实施例1-5制得的可降解锂电池隔膜与对比例1相比,有明显的性能优势。实施例1-4相比,在制备方法相同的情况下,材料配方组分对隔膜性能有着影响:提高PVA的用量,隔膜的撕裂强度和穿刺性能有明显提高。对比例1中未添加PBAT隔膜的断裂伸长率明显下降。对比例2中未添加多孔二氧化硅隔膜的热收缩性能变差。实施例3-5降低造孔剂的用量,隔膜的孔隙率明显降低。实施例3与实施例4相比,在用量组分相同的情况下,提高硼酸交联液的浓度和温度,隔膜的机械强度和热收缩性能明显提高。实施例3和实施例5相比,在用量组分相同的情况下,降低同步双向拉伸的拉伸倍率隔膜的力学性能变差。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可降解锂电池隔膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将可降解高分子材料粉碎后烘干,按配比称取原材料可降解高分子材料、增强材料、水溶性造孔剂,并混合均匀,得到混合物料;
(2)将所述混合物料投入挤出机中进行熔融挤出后经口模流延至冷却辊定型,得到流延膜片;
(3)将所述流延膜片先经过同步双向拉伸,然后进行交联,去除所述水溶性造孔剂后成孔,再进行热处理后收卷,制得可降解锂电池隔膜;
步骤(3)中交联采用浓度为3.8wt%-17.6wt%的硼酸溶液于温度25~70℃下将经过同步双向拉伸后膜浸泡其中;去除所述水溶性造孔剂的过程是采用水将交联后的膜进行洗涤,水溶性造孔剂溶于水后形成微孔;所述热处理的温度为100℃~160℃。
2.根据权利要求1所述的一种可降解锂电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述可降解高分子材料为PVA、PLA、PBAT中的一种或几种;所述增强材料为多孔二氧化硅;所述水溶性造孔剂为丙三醇。
3.根据权利要求2所述的一种可降解锂电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述可降解高分子材料为PVA、PLA、PBAT的混合物。
4.根据权利要求3所述的一种可降解锂电池隔膜的制备方法,其特征在于,所述原材料以重量百分数计:PVA 10%~20%、PLA 20%~30%、PBAT 5%~10%、多孔二氧化硅5%~10%、水溶性造孔剂30%~60%。
5.根据权利要求1~4任一项所述的一种可降解锂电池隔膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)中粉碎后所述可降解高分子材料的粒径为10μm~40μm;所述烘干采用旋转抽真空烘干机进行干燥,所述烘干的温度为50℃~80℃,抽真空度小于-50KPa,干燥时间30min~120min;所述混合采用分散剂进行搅拌混合,搅拌转速为50rpm~200rpm,混合时间为30min~120min,搅拌温度40℃~80℃。
6.根据权利要求1~4任一项所述的一种可降解锂电池隔膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述熔融挤出的温度为180℃~220℃,所述挤出机的螺杆转速为50rpm~200rpm、挤出量为150kg/h~400kg/h;所述冷却辊的温度为5℃~40℃。
7.根据权利要求1~4任一项所述的一种可降解锂电池隔膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)中所述同步双向拉伸为纵向拉伸和横向拉伸同时进行,所述双向拉伸的温度为100℃~130℃,所述纵向拉伸的倍率为2倍~8倍,所述横向拉伸的倍率为2倍~8倍。
8.一种根据权利要求1~7任一项所述的制备方法制得的可降解锂电池隔膜。
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