[发明专利]一种微孔聚乙烯膜

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备锂离子隔膜的微孔聚乙烯膜，更加具体表述为，本发明涉及通过增加冷却时的辊轮，控制聚乙烯的特性粘度和冷却中的温度来制造具有厚度高一致性和较高机械强度的微孔超高分子量聚乙烯膜，并且制备的聚乙烯膜制造的电池具有一致性和安全性。

背景技术

由于具有较好的化学稳定性和优异的物理性能，微孔聚乙烯膜被广发的应用于二次锂离子电池，如：手机电池、笔记本电池、电动工具电池及动力汽车电池。目前制备微孔聚乙烯膜主要有三种工艺：工艺一为将聚烯烃加工成纤维状，再通过无纺布工艺加工为薄膜状的结构；工艺二为干法工艺，首先在常温下制备聚烯烃膜，再在不同的温度下通过晶向的转变产生缺陷，然后在高温下拉伸使缺陷尺寸变大以形成微孔；工艺三为湿法工艺，即TIPS方法(1981年由美国A.J.Castro提出)，首先将聚烯烃在高温下与填充剂混合形成液相稳定体系，然后在冷却过程中聚烯烃形成固相，而填充剂仍保持液相，使用溶剂提取其中的液相填充剂而形成孔隙。同前两种工艺相比，第三种工艺即湿法工艺能够生产相对更薄的微孔膜，且孔径较为均一。锂离子电池隔膜的制备方法中，采用的熔融挤出/拉伸/热定型法，主要包括挤出、成片、拉伸和热定型等步骤；制备原理是聚合物熔体在高应力场下结晶，形成具有垂直于挤出方向而又平行排列的片晶结构，然后经过热处理得到硬性材料；具有硬弹性的聚合物膜拉伸后片晶之间分离，并出现大量微纤，从而形成大量的微孔结构，在经过热定型即制得微孔膜；

目前，随着动力汽车在生活中的广泛应用，由于较大数量串并联电池组的出现，锂离子电池的一致性和安全性能备受关注，而锂离子电池中作为隔断正负极材料的隔膜对电池的安全性的要求则越来越高，尤其是隔膜厚度等物理性能的一致性和高强度。目前，中国专利(CN 103687901 A)提供的一种微多孔性聚乙烯膜的制造方法，首先将聚乙烯膜和溶剂混炼后，挤出成片，然后进行拉伸；该专利注重拉伸的倍率和面积，但是微孔的结构包括孔径的大小、形状及分布不均匀。现有技术主要使用具有更高分子量的聚乙烯来改善微孔膜的机械强度，但树脂的分子量增加容易导致双螺杆挤出载荷增大、聚乙烯和填充剂的混合不均匀，拉伸过程中拉伸器负荷大，拉伸不均匀，拉伸速度慢等导致生产速度降低和隔膜一致性下降的情况，另外由于过高分子量的聚乙烯由于导致隔膜闭孔温度的上升，在锂电池的使用过程中带来安全隐患。

发明内容

本发明经过大量的理论研究和生产试验来实现提升机械强度和理化性质一致性的问题，主要通过采用一定特性粘度范围的聚乙烯和适当的冷却条件，从而使由熔融挤出到冷却时形成强度较大和理化性质一致性较好的薄膜；故本发明可以再不使用更高分子量的聚乙烯的情况下而提高更高机械强度的微孔聚乙烯膜。

为实现上述目标，本发明采用的技术方法如下：

一种微孔聚乙烯膜，由重量百分比为18～50％、特性粘度为800～1200ml/g的聚乙烯和重量百分比为82～50％的填充剂制备成的混合物通过如下步骤制得；

将聚乙烯和填充剂混合挤出，形成液相体系；将液相体系冷却制成薄片，随后完成薄片双拉扩孔、填充剂萃取和热定型；

所述的液相体系冷却成型具有如下工艺：

通过压辊将所述液相体系置于冷却温度为14～30℃的冷却辊表面制成薄片，所述压辊与所述冷却辊的间隙为0.3-1.5mm。

其中，优选地，所述的冷却辊的温度为22℃。所述压辊和所述冷却辊的间隙为1.5mm。

相对于传统隔膜，本发明的聚乙烯膜的特征为：具有较高的机械强度，具有较好的厚度一致性及理化性能一致性。

由聚乙烯制备聚乙烯微孔膜的基本原理如下：

分子结构和聚乙烯结构相似的液体低分子量有机物(后文中统称为“填充剂”)在聚乙烯能够融化的高温下和聚乙烯形成热力学的单相体。当处于热力学单相状态的聚乙烯和填充剂的溶液冷却到常温时，聚乙烯和填充剂之间形成相分离，即前期形成的单相体分为主要由聚乙烯固化薄片形成的聚乙烯固相，和填充剂液相。在聚乙烯固相微多孔结构中充满填充剂液相的情况下，使用双拉系统将其内部微孔结构进行扩大，以便于填充剂能够更好的从微孔结构中析出，然后再使用有机溶剂提取填充剂已形成孔径均一的微多孔膜。因此微孔的结构主要取决于相分离过程，即最终孔径的大小、形状及分布取决于相分离过程中冷却设备的构成和冷却条件，另外，微孔膜的厚度一致性和其它理化性能的一致性也取决于冷却系统。