專利名稱：一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋰電池用隔膜及其制備方法，具體地說，本發(fā)明涉及一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜及其制備方法，屬于鋰電池隔膜技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在鋰電池的結(jié)構(gòu)中，隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜是鋰電材料中技術(shù)壁壘最高的一種高附加值材料，約占鋰電池成本的20%-30%。隔膜價(jià)格居高不下的主要原因是一些制作隔膜的關(guān)鍵技術(shù)被日本和美國所壟斷，國產(chǎn)隔膜特別是高端隔膜的指標(biāo)還未達(dá)到國外產(chǎn)品的水平。隔膜技術(shù)難點(diǎn)在于造孔的工程技術(shù)及基體材料。傳統(tǒng)隔膜是采用聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，這些基體材料熔點(diǎn)低，在高溫下容易熱收縮甚至熔融導(dǎo)致隔膜破裂導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題。
新型鋰電池，特別是動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池對(duì)隔膜性能提出了更高的要求。以靜電紡絲的方法，將熔點(diǎn)更高、化學(xué)性能更好的高分子聚合物制備成納米纖維隔膜的方法已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注。
聚砜(簡稱PSF或PSU)具有極佳的耐高溫性能，還有尺寸穩(wěn)定性，抗化學(xué)性、阻燃、 電氣性、高強(qiáng)度、高介電強(qiáng)度、高剛性等眾多優(yōu)異性能。以該材料制備的納米纖維隔膜具有非常好的耐高溫性能，同時(shí)還具有孔隙率高、耐形變等特點(diǎn)，是非常優(yōu)秀的下一代鋰電隔膜，能夠極大的提高鋰電的安全性。
國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局于2010. 12. 15公開了一件申請(qǐng)?zhí)枮?01010221475. 5，名稱為“一種水溶液電化學(xué)器件用的聚合物隔膜”的發(fā)明專利，該專利公開了一種水溶液電化學(xué)器件用的聚合物隔膜。這種隔膜以聚砜類工程塑料和聚乙烯吡咯烷酮為原料，通過溶劑溶解并混合后涂鑄成膜，再使用含低級(jí)醇的電化學(xué)器件用電解質(zhì)溶液對(duì)膜進(jìn)行親水化處理后而成。本發(fā)明所得到的共混膜均相、致密，具有優(yōu)越的化學(xué)與熱穩(wěn)定性，以及優(yōu)異的機(jī)械 性能及優(yōu)良的導(dǎo)電性能，可以作為水電解、電池、超級(jí)電容器、液流電池等水溶液電化學(xué)器件的隔膜材料。
上述專利中的隔膜成膜的均一性差，且孔隙率有限；其制備方法為溶液法，使得在大面積制備隔膜時(shí)，更加難于控制成膜的均一性。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中的電池隔膜均一性差、孔隙率有限的問題，提供一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜，其抗撕裂性強(qiáng)、孔隙率高、能耐高低溫及機(jī)械性能優(yōu)異。
本發(fā)明的另一目的是提供一種上述聚砜納米纖維隔膜的優(yōu)化制備方法，使制備出來的隔膜成膜均一性更好，孔隙率更高。
為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，其具體的技術(shù)方案如下一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜由一種或者任意比例的多種聚砜溶解于極性有機(jī)溶劑中，再經(jīng)過靜電紡絲制成，其特征在于所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜厚度為10-50 μ m，直徑為100-300nm，斷裂伸長率為15_25%，熱分解溫度250-350°C，孔隙率20-90%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度15_20MPa，電擊穿強(qiáng)度IX IO7-L 5X 107V/m。
上述聚砜為本領(lǐng)域公知的任意常規(guī)聚砜，如聚芳砜、聚醚砜、雙酚A型聚砜等。
一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于包括以下工藝步驟 將一種或者任意比例的多種聚砜在常溫下溶解于極性有機(jī)溶劑中，攪拌反應(yīng)后得到聚砜溶液，然后將所述的聚砜溶液在高壓電場(chǎng)中在電場(chǎng)強(qiáng)度為10-50kV下實(shí)施靜電紡絲，靜電紡絲完成后收集得到鋰電池用聚砜納米纖維隔膜。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述的極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或者N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述的極性有機(jī)溶劑占聚砜溶液質(zhì)量的10-90%。
更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑中加入極性有機(jī)溶劑質(zhì)量5-25%的丙酮。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述的攪拌反應(yīng)時(shí) 間為1-5小時(shí)。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述的靜電紡絲完成后收集得到聚砜納米纖維隔膜是指采用不銹鋼滾筒收集。
更進(jìn)一步的，所述的不銹鋼滾筒直徑為O. 3-0. 8m。
一種采用上述鋰電池用聚砜納米纖維隔膜制成的鋰電池。
上述制備鋰電池的方法為本領(lǐng)域常規(guī)工藝。
本發(fā)明帶來的有益技術(shù)效果1、本發(fā)明的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜斷裂伸長率為15-25%，熱分解溫度 250-350°C，孔隙率20-90%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度15_20MPa，電擊穿強(qiáng)度I X IO7-L 5X 107V/m，均一性好,孔隙率高,適合大規(guī)模生產(chǎn)；2、本發(fā)明的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜具有抗撕裂、抗熱收縮、耐高溫、耐高壓大電流過充(電)的優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的聚砜納米纖維隔膜應(yīng)用于各種高容量和高動(dòng)力電池隔膜，如汽車動(dòng)力電池和電力儲(chǔ)能行業(yè)中具有巨大的潛在市場(chǎng)；3、本發(fā)明提供的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的高壓靜電紡絲制備方法使得鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的成膜均一性更好，孔隙率進(jìn)一步提高；4、本發(fā)明的制備方法中，優(yōu)選的在極性有機(jī)溶劑中加入丙酮，有助于納米纖維表面光潔，減少毛刺；優(yōu)選的攪拌反應(yīng)時(shí)間使得溶解更加充分的同時(shí)，提高了生產(chǎn)效率；優(yōu)選的靜電紡絲完成后收集得到聚砜納米纖維隔膜采用不銹鋼滾筒收集，易清潔，有助于將成型的納米纖維布從表面剝離；更進(jìn)一步的限定不銹鋼滾筒的直徑，既保證了轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，又保證了紡絲速度與轉(zhuǎn)動(dòng)速度能夠保持一致，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜由一種或者任意比例的多種聚砜溶解于極性有機(jī)溶劑中，再經(jīng)過靜電紡絲制成，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜厚度為 ο μ m,直徑為lOOnm，斷裂伸長率為15%，熱分解溫度250°C，孔隙率20%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度15MPa，電擊穿強(qiáng)度IX 107V/m。
實(shí)施例2一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜由一種或者任意比例的多種聚砜溶解于極性有機(jī)溶劑中，再經(jīng)過靜電紡絲制成，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜厚度為50 μ m,直徑為300nm，斷裂伸長率為25%，熱分解溫度350°C，孔隙率90%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度20MPa，電擊穿強(qiáng)度1. 5X 107V/m。
實(shí)施例3一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜由一種或者任意比例的多種聚砜溶解于極性有機(jī)溶劑中，再經(jīng)過靜電紡絲制成，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜厚度為30 μ m,直徑為200nm，斷裂伸長率為20%，熱分解溫度300°C，孔隙率55%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度17. 5MPa，電擊穿強(qiáng)度1. 25X 107V/m。
實(shí)施例4一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜由一種或者任意比例的多種聚砜溶解于極性有機(jī)溶劑中，再經(jīng)過靜電紡絲制成，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜厚度為21 μ m，直徑為260nm，斷裂伸長率為17%，熱分解溫度271 °C，孔隙率85%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度19MPa，電擊穿強(qiáng)度1. 35X 107V/m。
實(shí)施例5一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，包括以下工藝步驟將一種或者任意比例的多種聚砜在常溫下溶解于極性有機(jī)溶劑中，攪拌反應(yīng)后得到聚砜溶液，然后將所述的聚砜溶液在高壓電場(chǎng)中在電場(chǎng)強(qiáng)度為IOkV下實(shí)施靜電紡絲，靜電紡絲完成后收集得到鋰電池用聚砜納米纖維隔膜。
實(shí)施例6 一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，包括以下工藝步驟將一種或者任意比例的多種聚砜在常溫下溶解于極性有機(jī)溶劑中，攪拌反應(yīng)后得到聚砜溶液，然后將所述的聚砜溶液在高壓電場(chǎng)中在電場(chǎng)強(qiáng)度為50kV下實(shí)施靜電紡絲，靜電紡絲完成后收集得到鋰電池用聚砜納米纖維隔膜。
實(shí)施例7一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，包括以下工藝步驟將一種或者任意比例的多種聚砜在常溫下溶解于極性有機(jī)溶劑中，攪拌反應(yīng)后得到聚砜溶液，然后將所述的聚砜溶液在高壓電場(chǎng)中在電場(chǎng)強(qiáng)度為30kV下實(shí)施靜電紡絲，靜電紡絲完成后收集得到鋰電池用聚砜納米纖維隔膜。
實(shí)施例8一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，包括以下工藝步驟將一種或者任意比例的多種聚砜在常溫下溶解于極性有機(jī)溶劑中，攪拌反應(yīng)后得到聚砜溶液，然后將所述的聚砜溶液在高壓電場(chǎng)中在電場(chǎng)強(qiáng)度為43kV下實(shí)施靜電紡絲，靜電紡絲完成后收集得到鋰電池用聚砜納米纖維隔膜。
實(shí)施例9在實(shí)施例5-8的基礎(chǔ)上優(yōu)選的，所述的極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
優(yōu)選的或者更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑占聚砜溶液質(zhì)量的10%。
更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑中加入極性有機(jī)溶劑質(zhì)量5%的丙酮。
優(yōu)選的，所述的攪拌反應(yīng)時(shí)間為I小時(shí)。
優(yōu)選的，所述的靜電紡絲完成后收集得到聚砜納米纖維隔膜是指采用不銹鋼滾筒收集。
更進(jìn)一步的，所述的不銹鋼滾筒直徑為O. 3m。
實(shí)施例10在實(shí)施例5-8的基礎(chǔ)上優(yōu)選的，所述的極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
優(yōu)選的或者更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑占聚砜溶液質(zhì)量的90%。
更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑中加入極性有機(jī)溶劑質(zhì)量25%的丙酮。
優(yōu)選的，所述的攪拌反應(yīng)時(shí)間為5小時(shí)。
優(yōu)選的，所述的靜電紡絲完成后收集得到聚砜納米纖維隔膜是指采用不銹鋼滾筒收集。
更進(jìn)一步的，所述的不銹鋼滾筒直徑為O. 8m。
實(shí)施例11在實(shí)施例5-8的基礎(chǔ)上優(yōu)選的，所述的極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
優(yōu)選的或者更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑占聚砜溶液質(zhì)量的50%。
更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑中加入極性有機(jī)溶劑質(zhì)量15%的丙酮。
優(yōu)選的，所述的攪拌反應(yīng)時(shí)間為3小時(shí)。
優(yōu)選的，所述的靜電紡絲完成后收集得到聚砜納米纖維隔膜是指采用不銹鋼滾筒收集。
更進(jìn)一步的，所述的不銹鋼滾筒直徑為O. 55m。
實(shí)施例12在實(shí)施例5-8的基礎(chǔ)上優(yōu)選的，所述的極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
優(yōu)選的或者更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑占聚砜溶液質(zhì)量的75%。
更進(jìn)一步的，所述的極性有機(jī)溶劑中加入極性有機(jī)溶劑質(zhì)量12%的丙酮。
優(yōu)選的，所述的攪拌反應(yīng)時(shí)間為2小時(shí)。
優(yōu)選的，所述的靜電紡絲完成后收集得到聚砜納米纖維隔膜是指采用不銹鋼滾筒收集。
更進(jìn)一步的，所述的不銹鋼滾筒直徑為O. 72m。
實(shí)施例13選用雙酚A型聚砜，主要結(jié)構(gòu)如(I)所示，溶解于N，N —二甲基甲酰胺(DMF)的溶劑中，常溫?cái)嚢?小時(shí)，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的溶液。
電紡加工所用高壓電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為40kV/m ;電紡出的隔膜收集到不銹鋼滾筒上。
性能表征聚砜納米纖維直徑為100-300nm，主要分布在200nm左右，該種隔膜的拉伸強(qiáng)度為18MPa、斷裂伸長率為16%、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為190°C，熱分解溫度為330°C、孔隙率為78%、電擊穿強(qiáng)度為1. 2X 107V/m。
權(quán)利要求
1.一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜，所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜由一種或者任意比例的多種聚砜溶解于極性有機(jī)溶劑中，再經(jīng)過靜電紡絲制成，其特征在于所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜厚度為10-50 μ m，直徑為100-300nm，斷裂伸長率為15_25%，熱分解溫度250-350°C，孔隙率20-90%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度15_20MPa，電擊穿強(qiáng)度I X IO7-L 5 X 107V/m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于 包括以下工藝步驟將一種或者任意比例的多種聚砜在常溫下溶解于極性有機(jī)溶劑中，攪拌反應(yīng)后得到聚砜溶液，然后將所述的聚砜溶液在高壓電場(chǎng)中在電場(chǎng)強(qiáng)度為10-50kV下實(shí)施靜電紡絲，靜電紡絲完成后收集得到鋰電池用聚砜納米纖維隔膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于 所述的極性溶劑為N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于所述的極性有機(jī)溶劑占聚砜溶液質(zhì)量的10-90%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于 所述的極性有機(jī)溶劑中加入極性有機(jī)溶劑質(zhì)量5-25%的丙酮。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于 所述的攪拌反應(yīng)時(shí)間為1-5小時(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于 所述的靜電紡絲完成后收集得到聚砜納米纖維隔膜是指采用不銹鋼滾筒收集。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜的制備方法，其特征在于 所述的不銹鋼滾筒直徑為O. 3-0. Sm。
9.一種采用如權(quán)利要求1所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜制成的鋰電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋰電池用聚砜納米纖維隔膜及其制備方法，屬于鋰電池隔膜技術(shù)領(lǐng)域。所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜由一種或者任意比例的多種聚砜溶解于極性有機(jī)溶劑中，再經(jīng)過靜電紡絲制成，其特征在于所述的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜厚度為10-50μm，直徑為100-300nm，斷裂伸長率為15-25%，熱分解溫度250-350℃，孔隙率20-90%，機(jī)械拉伸強(qiáng)度15-20MPa，電擊穿強(qiáng)度1×107-1.5×107V/m。本發(fā)明的鋰電池用聚砜納米纖維隔膜具有抗撕裂、抗熱收縮、耐高溫、耐高壓大電流過充(電)的優(yōu)點(diǎn)，且均一性好，孔隙率高。
文檔編號(hào)H01M2/16GK103000851SQ20121055807
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者王睿, 王榮貴, 吳仕明, 胡蘊(yùn)成 申請(qǐng)人:中國東方電氣集團(tuán)有限公司