[发明专利]氮化铝颗粒填充的复合多曲孔膜材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电池隔膜领域，涉及一种多孔膜材料，具体涉及一种含有AlN纳米颗粒的复合多曲孔膜材料，及其制备方法和作为电池隔膜的应用。

背景技术

锂离子电池作为新能源汽车的动力电池得到了迅速发展，将成为人类不可缺少的生活用品。但由于目前使用的锂电池隔膜属于耐温性能较差的聚烯烃类多孔膜材料，在较高温度下，或在电池过充过放及机械损伤的情况下，锂离子电池容易出现冒烟、着火、甚至爆炸等危及使用者安全的隐患。因此，提高锂离子电池的安全性是推广锂离子电池在汽车动力等领域应用的关键。

针对锂电池的使用安全性，人们利用PI材料的高耐热性，开发了一种高孔隙率的电纺PI纳米纤维电池隔膜。这种高孔隙率PI纳米纤维隔膜在300℃高温下不收缩，并具有耐过充过放、高倍率性能和高循环性能等特点，使锂离子电池的电化学性能得到了大幅度提高。然而，由于这种电纺纳米纤维隔膜是一种由纤维堆积的非织造布，具有过高的孔隙率和过大的表面孔径，导致电池的荷电保持率较低，常出现微短路现象，尤其是当电池隔膜厚度较低时，如低于30微米，这种情况出现的几率相当高。因此，非常有必要创造一种新的具有较低孔隙率和较小表面孔径的耐高温高安全锂离子电池隔膜。

发明内容

本发明的目的之一在于：提供一种具有较低孔隙率和较小表面孔径的耐温高安全的多曲孔膜材料。

本发明的目的之二在于：提供制备所述的多曲孔膜材料的方法。

本发明的目的之三在于：提供所述的多曲孔膜材料在电池隔膜中的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

首先，提供一种纳米复合多曲孔膜材料，它以聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材，基材孔隙中填充有纳米氮化铝(AlN)颗粒；所述的纳米AlN颗粒，其直径在50-100nm之间，占纳米复合多曲孔膜材料总重量的30-60％；所述的PI纳米纤维非织造布厚度在9-38μm之间，孔隙率在60-80％之间。

本发明优选的方案中，所述的纳米复合多曲孔膜材料孔隙率在30-50％之间，表面平均孔径在50-150nm之间，厚度在10-40μm之间。

本发明优选的纳米复合多曲孔膜材料，所述的PI纳米纤维非织造布优选电纺的PI纳米纤维非织造布。

本发明优选的纳米复合多曲孔膜材料，优选通过用含有15-30％wt的AlN纳米颗粒的水基悬浮液涂布或浸渍PI纳米纤维非织造布，使悬浮液渗透填满PI纳米纤维非织造布的孔隙，再经100-200℃高温烘干制得。

所述的水基悬浮液优选进一步含有占悬浮液总重量1.0％～5.0％的粘合剂、占悬浮液总重量0.1％～1.0％的分散剂和余量的水；更优选占悬浮液总重量1.5～2.0％的粘合剂、占悬浮液总重量0.1％～0.3％的分散剂和余量的水。

所述的粘合剂优选聚丙烯酸酯类粘合剂，更优选丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物。

所述的分散剂优选聚丙烯酸铵。

所述的水基悬浮液的绝对粘度优选为10～30mPa·S，更优选为18～28mPa·S。

在此基础上，本发明还提供一种制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法，是以低粘度AlN纳米颗粒水基悬浮液和PI纳米纤维非织造布为原材料，通过表面涂敷渗透或浸渍涂敷渗透的方法，将AlN纳米颗粒填进PI纳米纤维非织造布的孔隙中，在较低温度烘干后，升温至较高温度使粘合剂在AlN纳米颗粒间及颗粒与PI纳米纤维间进行粘合。

本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法，具体包括以下步骤：

1)配制水基悬浮液：

按重量百分比计，将15-30％的AlN纳米颗粒、0.1％-1.0％的分散剂、1.0-5.0％的粘合剂和余量的水混合得到混合液，将混合液在8000-10000转/min的转速下乳化，形成绝对粘度在10-30mPa·S的水基悬浮液；

2)填充纳米颗粒：

将步骤1)配制的水基悬浮液在水平板上铺平形成一定厚度的悬浮液膜，然后将PI纳米纤维非织造布覆盖在所述的悬浮液膜上，悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中，待纳米纤维布上层湿透，揭起PI纳米纤维非织造布；

3)干燥粘结成型

将步骤2)得到的PI纳米纤维非织造布先在80～100℃下热烘8～12min，再升温至160～200℃热处理3～6min,使AlN纳米颗粒间以及它们与PI纳米纤维间因粘合剂的熔融而充分粘结形成本发明所述的纳米复合多曲孔膜材料。