[发明专利]一种生物质纳米晶涂层聚烯烃锂离子电池隔膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，具体涉及一种生物质纳米晶涂层聚烯烃锂离子电池隔膜及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、质量轻、体积小和无污染等优异的特性得到迅速发展，成为各类电子产品的主力电源，目前已经广泛应用于手机、便携式电脑、照相机、摄像机等电子产品领域，还可作为电动汽车和混合动力车等的动力电源。在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一，隔膜的性能直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有非常重要的作用。由于聚烯烃微孔膜具有较高孔隙率、较低的电阻、较高的抗撕裂强度、较好的抗酸碱能力、良好的弹性及对非质子溶剂的保持性能，因此聚烯烃微孔膜成为最主要的锂离子电池隔膜材料。

随着锂离子电池应用越来越广泛，而且发展趋势是体积越来越小、质量越来越轻，所以需要的锂电池隔膜的厚度也越来越薄，安全性也日益重要，其中如何防止电池短路使电池内部温度升高达到锂的熔点或电解液的引燃点而引起火灾事故的发生成为了隔膜发展的主要问题。由于锂离子电池短路而形成的热使得电池内部温度升高，当电池隔膜温度到达闭孔温度时微孔会闭塞阻断电流通过，但热惯性会使温度进一步上升，有可能达到熔融破裂温度而造成隔膜破裂，造成电池持续受热发生燃烧或爆炸事故，因此锂电池隔膜需要较大的闭孔温度和熔融破裂温度差。通常聚乙烯隔膜破裂温度与闭孔温度之间的差值也只有15℃（闭孔温度-130℃，隔膜熔融破裂温度~145℃），聚丙烯锂电池隔膜的熔融破裂温度达到160℃以上，但闭孔温度也比聚乙烯高，美国Celgard公司开发了聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合隔膜，其闭孔温度与熔融破裂温度的差值达到30℃以上，但这些聚烯烃隔膜因其破裂温度较低(一般低于170℃)，若用于电动汽车电池隔膜等动力锂电池环境存在安全性问题，，而且聚乙烯、聚丙烯隔膜与电解液的浸润性较差，因此，亟需提高电池隔膜的耐热性、浸润性、复合稳定性，制备出能用于动力锂电池的耐高温的高性能锂离子电池隔膜。

德国德固赛(Degussa)公司的Separion隔膜通过在无纺布上复合Al2O3或其他无机物纳米颗粒制备了陶瓷/塑料复合膜，该膜具有较高的热稳定性，受热不易变形，在200℃下不发生收缩和熔融现象，可提高动力电池的安全性。但聚合物和无机材料由于固有性质的不同使其复合强度不够，容易掉粉，而且隔膜在涂覆无机纳米颗粒后会大幅度增加重量。为了增加复合强度，出现了在无机纳米颗粒与隔膜之间加入各种粘结剂的方法，但是由于目前业内使用的无机材料主要是氧化铝陶瓷颗粒，由于其固有的高硬度对机械设备的摩擦损耗大，在生产过程中由于设备磨损聚使烯烃隔膜陶瓷涂层厚度越来越薄，涂层厚度一致均匀性难以控制，不利于大规模连续化生产。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有聚烯烃锂离子电池隔膜熔融破裂温度不高、对电解液浸润性不好的问题，提供了一种生物质纳米晶涂层聚烯烃锂离子电池隔膜及其制备方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种生物质纳米晶涂层聚烯烃锂离子电池隔膜，所述隔膜包括聚烯烃多孔膜和覆于聚烯烃多孔膜一侧或两侧的生物质纳米晶涂覆层。

如果在聚烯烃隔膜中涂层一种电子绝缘、高熔点的有机纳米纤维，不仅能提高聚烯烃隔膜的熔融破裂温度，也能提高隔膜的浸润性。生物质纳米晶是一种新型的聚多糖纳米晶，属于有机纳米纤维，在实际使用中有以下优点：（1）电子绝缘，熔点大于250℃；（2）原材料来源广泛、价格低廉、可再生；（3）具有较低的密度，填充后不会过度增加材料重量；（4）具有刚性特征，显示出高的强度和模量，如纤维素纳米晶的模量可达145GPa；（5）表面富含羟基，更容易实现在不同环境中的分散稳定性，对电解液有更高的浸润性。所以，通过在聚烯烃隔膜上涂层生物质纳米晶，可以显著提高隔膜的熔融破裂温度，改善对电池电解液的浸润性，提升锂离子电池的安全性。

作为优选方案，所述的聚烯烃多孔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚乙烯与聚丙烯的复合隔膜，隔膜的厚度为4-40μm，孔隙率为35-70%。

作为优选方案，所述生物质纳米晶涂覆层的厚度为1-8μm。

作为优选方案，所述生物质纳米晶涂覆层中生物质纳米晶的直径为2-80纳米，长度为20-200纳米。

作为优选方案，生物质纳米晶为纤维素纳米晶或甲壳素纳米晶。

一种生物质纳米晶涂层聚烯烃锂离子电池隔膜的制备方法，具体包括以下步骤：