高性能鋰電池陶瓷隔膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高性能鋰電池陶瓷隔膜，是由“高分子聚合物@無機(jī)—有機(jī)復(fù)合物”纖維組成，其特征在于：纖維呈同心軸狀，中間軸為高分子聚合物，外層為“無機(jī)—有機(jī)復(fù)合物”；其中的中間軸直徑為100~500nm，高分子聚合物為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）和聚對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBT）中的一種；所述外層厚度為100~600nm，“無機(jī)”為無機(jī)納米粒子，包含Al2O3、SiO2和ZrO2，“有機(jī)”為有機(jī)高分子，包含PVDF或PVDF-HFP。其采用同軸靜電紡絲法制備具有非常出色性能的鋰離子電池陶瓷隔膜，該隔膜包含具有高機(jī)械強(qiáng)度和高耐熱溫度的高分子聚合物和具有高吸液率無機(jī)納米粒子，使用該隔膜的鋰離子電池具有更高的安全性能和更出色的倍率性能。
【專利說明】高性能鋰電池陶瓷隔膜及其制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高性能鋰電池陶瓷隔膜及制備，屬于鋰離子電池【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰電池是一種非常通用和常見的儲(chǔ)能裝置，近些年來已經(jīng)在電子產(chǎn)品、移動(dòng)電話、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到了非常快速的發(fā)展。隔膜材料是鋰電池非常重要的組成部分，直接影響著電池的循環(huán)壽命以及安全性能等指標(biāo)。傳統(tǒng)的隔膜多為聚烯烴(PP或PE)多孔膜，但這種單一組分的隔膜不利于提高電池的安全性能。
[0003]近些年來，韓國LG公司推出了一種新型的高安全隔膜，該隔膜是在傳統(tǒng)PP、PE隔膜表面進(jìn)行改性，通過涂覆無機(jī)納米粒子和有機(jī)粘結(jié)劑制備出了具有無機(jī)材料的有機(jī)復(fù)合隔膜，這類隔膜在電池發(fā)生熱失控時(shí)能夠有效降低電池著火和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步地提高了鋰電池的安全性能，尤其是動(dòng)力鋰電池的安全性。另外，Degussa公司也采用類似的技術(shù)基于PET無紡布開發(fā)出了高性能的陶瓷隔膜，由于PET具有更高的耐熱溫度和更強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，這使得由PET作為基層的隔膜的電化學(xué)性能更加出色。
[0004]靜電紡絲方法是一種制備納米纖維的非常行之有效的方法，也已經(jīng)在鋰離子電池隔膜領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)靜電紡絲法制備鋰電池隔膜時(shí)多采用單孔針頭，該針頭只能紡絲出具有單一結(jié)構(gòu)和單一組分的纖維絲，不利于提高隔膜的綜合性能。同軸靜電紡絲是在傳統(tǒng)靜電紡絲基礎(chǔ)上對(duì)紡絲針頭和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而制備具有中空或者同軸異組分結(jié)構(gòu)的纖維的制備方法，這種方法制備的復(fù)合纖維通常會(huì)具備各復(fù)合單元的優(yōu)點(diǎn)，使得纖維整體性能有較大 提高。
[0005]鑒于此，本專利將采用同軸靜電紡絲法制備具有非常出色性能的鋰離子電池陶瓷隔膜，該隔膜包含具有高機(jī)械強(qiáng)度和高耐熱溫度的高分子聚合物和具有高吸液率無機(jī)納米粒子，使用該隔膜的鋰離子電池具有更高的安全性能和更出色的倍率性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種高性能鋰電池陶瓷隔膜，其采用同軸靜電紡絲法制備具有非常出色性能的鋰離子電池陶瓷隔膜，該隔膜包含具有高機(jī)械強(qiáng)度和高耐熱溫度的高分子聚合物和具有高吸液率無機(jī)納米粒子，使用該隔膜的鋰離子電池具有更高的安全性能和更出色的倍率性能。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種高性能鋰電池陶瓷隔膜，是由“高分子聚合物@無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”纖維組成，其特征在于:纖維呈同心軸狀，中間軸為高分子聚合物，外層為“無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”;其中的中間軸直徑為10(T500nm，高分子聚合物為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)中的一種；所述外層厚度為10(T600nm，“無機(jī)”為無機(jī)納米粒子，包含41203、5102和21<)2，“有機(jī)”為有機(jī)高分子，包含PVDF或PVDF-HFP。
[0008]一種高性能鋰電池陶瓷隔膜的制備方法，其特征在于具體方法如下:
a)將高分子聚合物顆粒溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲?，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~45%的“高分子聚合物”溶液；
b)將無機(jī)納米粒子與有機(jī)高分子按質(zhì)量比111無機(jī)納米粒子:mwms；^=l: (5~44)的比例溶于有機(jī)溶劑中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%~50%的“無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”溶液。
[0009]c)將步驟a)所制備的高分子聚合物溶液置于同軸靜電紡絲裝置內(nèi)針頭注射器中，將步驟b)所制備的“無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”溶液置于同軸靜電紡絲裝置外針頭注射器中進(jìn)行靜電紡絲，內(nèi)針頭孔徑0.5^0.9mm，外針頭孔徑0.8^1.2mm，紡絲電壓12~20kV，接收距離13~25cm，濕度 25~45% ；
d)步驟c)所得靜紡隔膜利用滾筒式熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為8(T150°C，熱壓后即得高性能鋰電池陶瓷隔膜。
[0010]所述的步驟a)中的高分子聚合物是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)中的一種，所述溶劑是六氟異丙醇、三氟乙酸和二氯甲烷中的一種或幾種的混合物。
[0011]所述的步驟b)中的無機(jī)納米粒子是A1203、SiO2和ZrO2中的一種，所述有機(jī)高分子是PVDF和PVDF-HFP共聚物中的一種，所述有機(jī)溶劑為N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺和丙酮中的一種。
[0012]本發(fā)明的積極效果是具有高機(jī)械強(qiáng)度和高耐熱溫度的高分子聚合物和具有高吸液率無機(jī)納米粒子，使用 該隔膜的鋰離子電池具有更高的安全性能和更出色的倍率性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明所述高性能鋰電池陶瓷隔膜的同軸靜電紡絲模擬示意圖，其中“I”為“高分子聚合物”溶液，“2”為“無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”溶液，“3”為內(nèi)針頭，“4”為外針頭，“5”為高壓電源。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述:
實(shí)施例1
如圖1所示，將市售PET顆粒溶于六氟異丙醇中，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%的PET溶液；將Al2O3納米粒子與PVDF按質(zhì)量比mA12(B:mPVDF=l:5的比例溶于N，N-二甲基甲酰胺中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的“A1203— PVDF”溶液。將PET溶液置于同軸靜電紡絲裝置內(nèi)針頭注射器中，將“A1203— PVDF”溶液置于同軸靜電紡絲裝置外針頭注射器中進(jìn)行靜電紡絲，內(nèi)針頭孔徑0.5mm，外針頭孔徑0.8mm，紡絲電壓20kV，接收距離25cm，濕度20~40% ;所得靜紡隔膜利用滾筒式熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為80°C，熱壓后即得高性能鋰電池陶瓷隔膜。
[0015]實(shí)施例2
將市售PBT顆粒溶于三氟乙酸和二氯甲烷混合溶液(體積比4:3)中，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PBT溶液；將SiO2納米粒子與PVDF-HFP按質(zhì)量比mSiQ2:mPVDF=l:44的比例溶于丙酮溶液中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的“Si02—PVDF-HFP”溶液。將PBT溶液置于同軸靜電紡絲裝置內(nèi)針頭注射器中，將“Si02—PVDF_HFP”溶液置于同軸靜電紡絲裝置外針頭注射器中進(jìn)行靜電紡絲，內(nèi)針頭孔徑0.9mm，外針頭孔徑1.2mm，紡絲電壓12kV，接收距離13cm，濕度30^45% ;所得靜紡隔膜利用滾筒式熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為150°C，熱壓后即得高性能鋰電池陶瓷隔膜。
[0016] 實(shí)施例3
將市售PET顆粒溶于六氟異丙醇中，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的PET溶液；將ZrO2納米粒子與PVDF-HFP按質(zhì)量比mZrt2:mPVDF=l:20的比例溶于N，N- 二甲基乙酰胺中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%的“Zr02—PVDF-HFP”溶液。將PET溶液置于同軸靜電紡絲裝置內(nèi)針頭注射器中，將“Zr02—PVDF-HFP”溶液置于同軸靜電紡絲裝置外針頭注射器中進(jìn)行靜電紡絲，內(nèi)針頭孔徑0.6mm，外針頭孔徑0.9mm，紡絲電壓17kV，接收距離20cm，濕度25?40% ;所得靜紡隔膜利用滾筒式熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為120°C，熱壓后即得高性能鋰電池陶瓷隔膜。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能鋰電池陶瓷隔膜，是由“高分子聚合物O無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”纖維組成，其特征在于:纖維呈同心軸狀，中間軸為高分子聚合物，外層為“無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”;其中的中間軸直徑為10(T500nm，高分子聚合物為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)中的一種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高性能鋰電池陶瓷隔膜，其特征在于所述外層厚度為10(T600nm，“無機(jī)”為無機(jī)納米粒子，包含A1203、SiO2和ZrO2, “有機(jī)”為有機(jī)高分子，包含PVDF 或 PVDF-HFP。
3.一種高性能鋰電池陶瓷隔膜的制備方法，其特征在于具體方法如下: a)將高分子聚合物顆粒溶于適當(dāng)?shù)娜軇┲校渲贸少|(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~45%的“高分子聚合物”溶液； b)將無機(jī)納米粒子與有機(jī)高分子按質(zhì)量比111無機(jī)納米粒子:mwms；^=l: (5~44)的比例溶于有機(jī)溶劑中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%~50%的“無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”溶液。
4.c)將步驟a)所制備的高分子聚合物溶液置于同軸靜電紡絲裝置內(nèi)針頭注射器中，將步驟b)所制備的“無機(jī)一有機(jī)復(fù)合物”溶液置于同軸靜電紡絲裝置外針頭注射器中進(jìn)行靜電紡絲，內(nèi)針頭孔徑0.5^0.9mm，外針頭孔徑0.8^1.2mm，紡絲電壓12~20kV，接收距離13~25cm，濕度 25~45% ； d)步驟c)所得靜紡隔膜利用滾筒式熱壓機(jī)進(jìn)行熱壓，熱壓溫度為8(T150°C，熱壓后即得高性能鋰電池陶瓷隔膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種高性能鋰電池隔膜的制備方法，其特征在于所述的步驟a)中的高分子聚合物是聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)和聚對(duì)苯二甲酸丁二酯(PBT)中的一種，所述溶劑是六氟異丙醇、三氟乙酸和二氯甲烷中的一種或幾種的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述高性能鋰電池隔膜的制備方法，其特征在于所述的步驟b)中的無機(jī)納米粒子是A1203、SiO2和ZrO2中的一種，所述有機(jī)高分子是PVDF和PVDF-HFP共聚物中的一種，所述有機(jī)溶劑為N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺和丙酮中的一種。
【文檔編號(hào)】H01M2/16GK104022246SQ201410284815
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】姜濤, 陳慧明, 王丹, 安宇鵬, 張克金 申請(qǐng)人:中國第一汽車股份有限公司