[发明专利]一种非均相工艺的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种非均相工艺的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料的制备方法。使用亲液性较好的纳米纤维素与耐高温性能优良的芳纶纤维，分别改性制备纳米纤维素悬浮液和芳纶纤维悬浮液，借鉴造纸成型原理和钢砼结构功能设计，悬浮液混合后再加入聚酰亚胺溶液共混，抄片抽滤成膜，经溶剂置换、干燥后得到共混膜。然后以聚酰亚胺为增强剂，对膜表面进行喷涂处理，喷混结合，形成内外自键微交联结构，干燥后再经多次喷涂、干燥，制备出纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料。本发明制备的锂电池隔膜强度高、热稳定性好、电解液浸润性优异、电化学性能良好，能够充分满足锂电池的循环性能和安全性能要求，具有较大的应用价值和经济效益。

技术领域

本发明涉及一种锂电池隔膜材料，尤其是非均相工艺的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料的制备方法，特别适用于动力锂电池隔膜的使用。

背景技术

随着现代社会对绿色新能源的推广，锂离子电池正逐步在以混合动力汽车和纯电动汽车为代表的新能源汽车中得到广泛应用，顺应时代发展潮流。因此蓬勃发展的新兴市场对锂电池的性能，尤其是热安全性能提出了更高的要求。隔膜是锂离子电池的核心部件之一，可以控制离子的传输，防止电池的内部短路，隔膜性能直接影响锂电池的循环寿命和安全性能，且隔膜的成本占锂电池总成本的25%左右，因此开发低成本、高安全性能的隔膜至关重要。

隔膜的热安全性（闭孔和破膜温度）取决于制备隔膜基材的熔点，目前市场上大多数使用的聚烯烃膜材料如PE熔点为128～135℃，PP为150～160℃，其在高温下易变形，热收缩严重，导致正负极直接接触出现热失控而爆炸，不能满足高功率动力电池安全性的需要。聚烯烃隔膜材料的透气性和浸润性（吸液性、保液性及孔隙率）较差，无法满足锂电池快速充放电的要求，影响电池的循环使用寿命。

纤维素是自然界来源最广泛的绿色可再生高分子材料，与合成高分子相比，它可再生、可降解、绿色环保、易于改性、生物相容性好，其下游产品纳米纤维素除继承这些优点外，还高强度、高亲水性，对电解液浸润性好，能够确保高吸液率，但是其结晶度高，需要对其进行活化处理，提高表面可及度；芳纶纤维是一种新型高科技合成的芳香族聚酰胺纤维，它具有超高强度、持久的热稳定性、耐酸耐碱等优良性能，在560℃下不分解、不融化，具有良好的绝缘性和抗腐蚀性能，能够确保高安全性能。将纳米纤维素和芳纶纤维共混，可以替代聚烯烃隔膜材料并能保证锂电池的热安全性。

发明内容

本发明提供了一种非均相工艺的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料的制备方法，采用非均相制备工艺，借鉴造纸成型原理和钢砼结构功能设计，使用喷混结合的方式形成内外自键微交联结构，先分别制备纳米纤维素和芳纶纤维悬浮液，全部混合后加入聚酰亚胺溶液共混，共混溶液经抄片抽滤成膜，然后进一步使用聚酰亚胺溶液对共混膜表面进行喷涂处理，经溶剂置换、干燥、喷涂再干燥后得到性能良好的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料。

为实现上述目的，本发明所制备的非均相工艺的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料厚度为100~350μm，机械强度为5~55MPa，电解液吸收率为100~400%，保液率为50~250%，孔隙率为20~80%，200℃下的隔膜热收缩率为0.2~2%，热收缩力为0.01~0.6N，离子电导率为0.5~1.5mS/cm，0.2C下的放电容量为150~170 mAh.g^-1。

本发明采用的技术方案是：一种非均相工艺的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料，使用纳米纤维素和芳纶纤维，分别改性制备纳米纤维素和芳纶纤维悬浮液，全部混合后加入聚酰亚胺溶液共混，共混溶液经抄片抽滤成膜，然后进一步使用聚酰亚胺溶液对共混膜表面进行喷涂处理，经溶剂置换、干燥、喷涂再干燥工艺后得到性能优良的纳米纤维素/芳纶纤维锂电池隔膜材料。

所述纳米纤维素为棉浆粕、木材浆粕、竹木浆粕或草木浆粕中的一种或多种混合浆粕中提取处理得到的纳米纤维素。

所述芳纶纤维为对位或间位芳香族芳纶纤维中浆粕、短切、短纤及干粉中的一种或多种混合纤维。