[发明专利]一种高性能锂离子电池隔膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池隔膜与生物质材料交叉领域，具体涉及一种高性能锂离子电池隔膜及其制备方法。

背景技术

随着便携电子设备、可穿戴设备、电动汽车、储能设备的迅猛发展，对电池的性能要求越来越高。而锂离子电池因其具有高能量密度、高工作电压、循环寿命长、自放电小和无记忆效应等诸多优点而广泛使用。隔膜作为锂离子电池的关键组成部分，很大程度上决定了锂离子电池的性能。

传统的商业化的聚烯烃隔膜，如聚丙烯膜、聚乙烯膜，虽然有一些良好的特性，但是其缺点也很明显，来源于石油基原料，不可再生，不可降解，不符合环境友好、持续发展的大趋势。生物质原料，特别是纤维素原料，储量丰富，可再生，可降解，容易获得，价格合适，是代替石油基原料的最佳选择。

静电纺丝技术是在一定的电场力作用下，将聚合物溶液拉伸成纤维的一种技术。该方法制备的纤维直径在纳米级别。通过改变纺丝原料可以制备性能优异的锂离子电池隔膜。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高性能锂离子电池隔膜的制备方法。本发明以醋酸纤维素、纳米微晶纤维素、聚偏氟乙烯-六氟丙烯为原料，用静电纺丝法制备隔膜后用氢氧化锂进一步处理，最后干燥获得所需隔膜。其中，纳米微晶纤维素不仅能提高隔膜强度，改善隔膜电化学性能，而且其表面的羧基也为其用于锂离子电池隔膜这种特定用途中提供锂离子结合位点，能更进一步的提高隔膜性能；氢氧化锂处理能赋予隔膜更多的锂离子以改善隔膜性能，所得隔膜性能优良。

本发明的另一目的在于提供上述制备方法制得的高性能锂离子电池隔膜。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种高性能锂离子电池隔膜的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)将适量的醋酸纤维素溶解在质量比为2：1的二甲基乙酰胺和丙酮混合溶剂中，得到醋酸纤维素溶液；将适量的聚偏氟乙烯-六氟丙烯溶解在质量比为3：7的二甲基乙酰胺和丙酮混合溶剂中，然后加入适量的纳米微晶纤维素并分散均匀，得到聚偏氟乙烯-六氟丙烯和纳米微晶纤维素的混合溶液；

(2)通过同轴心组装的针头进行喂料并静电纺丝制备薄膜；其中醋酸纤维素溶液通过中心针头喂料，聚偏氟乙烯-六氟丙烯和纳米微晶纤维素的混合溶液通过外圈针头喂料；

(3)将制备好的静电纺丝薄膜浸入适量浓度的氢氧化锂溶液反应一段时间，然后取出隔膜通过真空干燥出去水分，即可获得所需隔膜。

步骤(1)所述的醋酸纤维素溶液中醋酸纤维素质量分数为14-16％；聚偏氟乙烯-六氟丙烯和纳米微晶纤维素的混合溶液中，聚偏氟乙烯-六氟丙烯质量分数为8-10％，纳米微晶纤维素质量分数为0.5-2％。

步骤(2)所述静电纺丝条件：纺丝电压15-20kV，收集距离15-18cm。

步骤(3)所述氢氧化锂溶液质量分数为1-5％，反应时间为0.5-3h。

一种高性能锂离子电池隔膜，由上述制备方法制得，所述的隔膜拉伸强度大于40MPa，离子导电率大于2mS cm^-1，热稳定性良好，200℃条件下3h尺寸变化率小于0.1％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

与传统的锂离子电池隔膜及其制备方法相比，本发明制备的隔膜具有更高的机械强度、更好的离子迁移数和离子导电性，其通过加入纳米微晶纤维素不仅提高隔膜强度，而且为氢氧化锂处理过程中提供锂离子结合位点，为进一步提高隔膜电化学性能提供可能。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中使用电子万能试验机测试拉伸强度，采用电化学交流阻抗谱方法测试离子导电率，取相同面积的隔膜样品放置于干燥箱中保温一定时间观测尺寸变化测试热稳定性。

实施例1

将1.2g醋酸纤维素溶解在6.8g二甲基乙酰胺和丙酮(质量比2/1)溶剂中；将1.0g聚偏氟乙烯-六氟丙烯溶解在9.0g二甲基乙酰胺和丙酮(质量比3/7)溶剂中，然后加入0.06g纳米微晶纤维素并分散均匀。通过同轴心组装的针头进行喂料并静电纺丝。醋酸纤维素通过中心针头喂料，速度0.8ml/h，聚偏氟乙烯-六氟丙烯和纳米微晶纤维素通过外圈针头喂料，速度0.8ml/h。静电纺丝电压18kV，收集距离15cm。将制备好的静电纺丝薄膜浸入2wt％的氢氧化锂溶液反应1h，然后取出隔膜置于80℃真空干燥箱24h，获得锂离子电池隔膜。