[发明专利]一种利用静电纺丝技术制备的无机纳米颗粒复合材料及其制法与作为隔离膜应用于电池中

说明书

技术领域

本发明涉及二次电池隔离膜技术领域，具体涉及一种利用静电纺丝技术制备的无机纳米颗粒复合材料及其制法与作为隔离膜应用于电池中。

背景技术

能源是人类活动的物质基础，是经济发展的核心动力。开发新能源及其可持续性发展是当今社会的主旋律。二次电池作为一种新能源受到了广泛的关注，已经成功应用于便携式电子设备、电动汽车以及能量存储设备中。随着人们对电池需求及其应用领域的不断扩展，对其电化学性能的稳定性、可持续性尤其是安全性能提出了更高的要求。

隔离膜作为保证电池安全性能的重要组成部分，一方面防止了电池正负极机械性的接触，另一方面又提供了离子的传输通道。因此选择合适的隔离膜对实现电池优异的电化学性能以及保证电池的安全性起到至关重要的作用。常用的电池隔膜主要为聚烯烃膜，例如聚乙烯膜或者聚丙烯膜。聚烯烃膜具有良好的机械性能以及优异的电化学稳定性，然而聚烯烃膜的热稳定性差，在高温下的热收缩效应明显，容易造成电池内部的短路，存在安全隐患。同时，由于聚烯烃膜的疏水性使得其与极性有机电解液的浸润性差，导致电池的离子电阻增大。针对聚烯烃隔膜存在的以上问题，研究者们通过在膜表面涂覆陶瓷颗粒的方法来改善隔离膜的热稳定性以及浸润性问题。例如，在隔离膜表面涂覆SiO₂和Al₂O₃颗粒，SiO₂颗粒增强了隔离膜的热稳定性以及机械稳定性，Al₂O₃颗粒的亲水性改善了隔离膜对电解液的浸润性。然而采用表面涂覆法得到的隔离膜太厚，陶瓷颗粒与膜本身的粘附力差并且独立存在于膜表面，使得电池在循环过程中的电阻增大。

因此，如何制备出一种与电解液浸润性好、热稳定性高同时具备优异的安全性能的隔离膜已经成为人们研究的重点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现阶段电池隔离膜存在的问题与缺陷而提供一种结构优异，电解液浸润性好、热稳定性高、安全性能突出的无机纳米颗粒复合材料及其制备方法。并将其成功的应用于锂离子电池、锂硫电池以及钠离子电池隔离膜中。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种利用静电纺丝技术制备无机纳米颗粒复合材料的方法，包括以下步骤：

（1）将二酐和二胺按照一定比例完全溶解于极性溶剂中，低温下制备得到PAA溶液；

（2）将无机纳米颗粒超声分散在极性溶剂中，加入步骤（1）所得到的PAA溶液中，得前驱体溶液；

（3）将步骤（2）所得前驱体溶液进行静电纺丝，使无机纳米颗粒纺入聚合物中；

（4）将步骤（3）所得产物热处理，得到无机纳米颗粒复合材料。

进一步地，步骤（1）所述的二酐为均苯四甲酸二酐、偏苯三酸酐、二苯酮二酐、联苯二酐、二苯醚二酐和六氟二酐中的一种；所述二胺为邻苯二胺、二氰二胺、草酰二胺和对苯二胺中的一种；所述的极性溶剂为DMF、DMAC、NMP、THF/甲醇混合溶剂或THE/甲醇混合溶剂；所述的完全溶解的条件为：在0~10℃下搅拌3~6小时；所述二酐与二胺的质量比为1~1.2：1。

进一步地，步骤（2）所述的无机纳米颗粒为SiO₂、TiO₂、Al₂O₃、SnO₂和MgO中的一种以上，粒径为5~15nm，所述无机纳米颗粒在前驱体溶液中的质量百分比控制在5~20%。所述的极性溶剂为DMF（二甲基甲酰胺）、DMAC（二甲基乙酰胺）、NMP（N-甲基吡咯烷酮）、THE/甲醇混合溶剂或THF/甲醇混合溶剂中的一种；所述的分散条件为：超声1~3小时。

进一步地，步骤（3）所述静电纺丝是在是在喷丝器的推速为0.01~0.05mm/min，喷丝器与接收器电压为10~20kv,喷丝器与接收器距离为10~30cm，温度为0~15℃、湿度为5~ 20%的条件下，纺丝成膜。

进一步地，步骤（4）所述热处理是在真空条件下，以2~5℃/min的速率升温至300~350℃热处理4~8小时。

进一步地，所述的无机纳米颗粒复合材料，纺丝纤维交叠重合，形成多孔结构，其中孔隙率高达87%，孔道之间相互贯穿连通；无机颗粒均匀的分布在纺丝纤维的内外表面，与纺丝纤维紧密结合，防止无机颗粒与聚合物纤维粘附力差，易脱落等问题，增加了材料的热稳定性与机械性能，提高了材料对极性溶剂的浸润性。

进一步地，所述的无机纳米颗粒复合材料具有优异的柔性，可进行大角度的拉伸、折叠、扭曲、压缩等。