[发明专利]一种静电纺聚酰亚胺基纳米纤维多孔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于安全锂离子电池隔膜制造技术领域，公开了一种静电纺聚酰亚胺基纳米纤维多孔膜及制备方法和应用。该多孔膜既得益于静电纺丝技术制备的纳米纤维多孔形貌赋予了其高孔隙率和良好的电解液浸润性；又得益于聚酰亚胺材料本身的耐热性而表现出突出的热化学性能；通过弯曲、扭曲和折叠等机械性能测试，能够始终保持平面完整性和一致性，能满足在电池组装、储存和运输等使用过程中的安全需求；本发明多孔膜的离子电导率(1.98mS/cm)明显高于聚烯烃类隔膜(0.56mS/cm)，其组装的锂离子电池具有优异的电化学性能表现，经过100次1C/1C的充放电循环后，其放电比容量的保持率(90％)高于聚烯烃类隔膜(76％)。

技术领域

本发明属于安全锂离子电池隔膜制造技术领域，特别涉及一种静电纺聚酰亚胺基纳米纤维多孔膜及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有工作电压大、能量密度高、循环寿命长、绿色节能环保等优点，不仅成功应用于手机、电脑和相机等电子领域，而且成为电动汽车和储能系统最有前途的理想能源材料之一。为了满足锂电池更广泛的应用，必须研发具有增强安全性能和优异电化学性能的新型电池隔膜。电池隔膜的作用：一是防止正负极材料的直接接触而触发的电池短路现象；二是提供了多孔通道可容纳充分的电解液以促进锂离子在电池内部的自由转移作用，因此隔膜被誉为是电池的“第三电极”，直接影响着电池的整体安全性和电化学性能。目前主流的电池隔膜主要是由单层的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)及其组合的多层复合膜(PP/PE、PP/PE/PP等)制成的多孔聚烯烃类隔膜。这类由传统的干法或湿法制备的隔膜得益于良好的化学稳定性、原料来源广和制备成本低等优势，目前已实现了商业化应用。然而，商业化的聚烯烃类隔膜仍有三个难以忽视的缺点：

(1)由传统的干法、湿法等造孔工艺制备的聚烯烃类隔膜的孔隙率较低(40～60％)，并且材料本身是非极性的，导致与极性有机电解液的相容性和润湿性较差，使得在隔膜和电极的界面层中产生了较高的离子传导电阻，这限制了最终电池的电化学性能表现；

(2)聚烯烃类隔膜材料的本身熔点较低，耐热性较差，容易导致电池在高倍率充放电等使用过程中发生内部短路，甚至在高温下造成起火、爆炸等安全事故；

(3)聚烯烃类隔膜在受到一定的外力(如弯曲、扭曲、折叠等)条件下，特别容易产生皱褶和变形等问题，这严重地阻碍了隔膜在电池组装、储存和运输等使用过程中的实用性和安全性。

聚酰亚胺作为一种高性能的特种功能聚合物材料，本身具有高强、高模、高耐热和耐化学腐蚀等特点，是一种可替代聚烯烃的理想隔膜材料。静电纺丝技术是一种简单、方便、高效并有望实现工业化生产纳米纤维膜的先进制造技术。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种静电纺聚酰亚胺基纳米纤维多孔膜的制备方法。

本发明的又一目的在于提供一种上述制备方法制备得到的静电纺聚酰亚胺基纳米纤维多孔膜，其微观多孔结构与3D形貌、孔隙率及电解液浸润性、机械性能和热性能、抗褶皱和抗变形等均得到了大幅提升，大大提高了锂离子电池使用过程中的安全性和电化学性能，拓展了电池使用范围且具有良好的商业化应用前景。

本发明的再一目的在于提供一种上述静电纺聚酰亚胺基纳米纤维多孔膜在锂离子电池中的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种静电纺聚酰亚胺基纳米纤维多孔膜的制备方法，包括以下操作步骤：

(1)低温聚合反应法生成静电纺丝前驱液：将二胺单体溶于反应溶剂中，在冰浴搅拌条件下，分批加入二酐单体，制备出聚酰胺酸(PAA)纺丝原液；

(2)静电纺丝技术生成纺丝膜：将聚酰胺酸纺丝原液经过冷却工艺和消泡处理，并按照设定的静电纺丝参数和环境条件，最终在不同的接收器中成丝成膜，得到聚酰胺酸膜；