[发明专利]一种膨化地开石修饰的锂离子电池隔膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种膨化地开石修饰的锂离子电池隔膜及其制备方法。该方法利用二甲基亚砜、水合肼、尿素依次对地开石进行插层，将尿素分子进入地开石层间，再利用层外尿素能与氯酸钾发生爆炸性反应的特性，膨化地开石的片层结构，获得一种具有贯通网孔结构的膨化地开石粉体。将膨化地开石与玄武岩纤维、改性剂、偏聚氟乙烯、N‑N二甲基甲酰胺混合制浆，再利用相转移法制备用于锂离子电池的隔膜材料。膨化地开石的使用能明显提高隔膜的耐热性，提高隔膜的孔径尺寸、孔隙率、吸液率，进而有利于锂离子在隔膜中的传输，提高电池的倍率性能。另外，玄武岩纤维的使用能够有效提升隔膜的机械强度，提高隔膜的使用性和安全性。

技术领域：

本发明属于锂离子电池隔膜技术领域，涉及一种耐高温、适合大电流充放电的动力型锂离子电池隔膜及其制备方法。

背景技术：

电池隔膜是电池正极和负极之间的一层隔膜材料，其主要作用是隔离正、负极并对电子绝缘，但能让电解液中的离子在正负极之间自由传输，从而完成电池反应。目前，商品化的锂离子电池隔膜材料主要为多孔聚烯烃如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)等，尽管聚烯烃隔膜用于锂离子电池有诸多优点，但聚烯烃隔膜的熔点较低，聚乙烯和聚丙烯的熔点分别为130℃和150℃，超过该温度隔膜就会融化导致电池发生短路。实际应用中，电池有可能迅速升温至200℃，特别是电动汽车使用的动力锂离子电池，一些电动汽车起火燃烧事件正是由聚烯烃隔膜高温失效引起的。因此，开发新型适用于动力锂离子电池的高耐热隔膜产品已经是发展电动汽车的当务之急。

偏聚氟乙烯(PVDF)，是仅次于聚四氟乙烯的第二大氟材料，因具有优良的成膜性能、较高的热稳定性和化学稳定性使它成为制备锂离子电池隔膜最具优势的聚合物之一。但由于PVDF具有较强的结晶趋势容易形成含有球晶的微孔结构,球晶间形成较大的空洞，因而在PVDF隔膜微孔结构控制方面存在局限性。在PVDF成膜过程中添加无机添加剂，能够有效降低PVDF的结晶度，有助于得到非对称或各向异性的微孔结构。如中国专利CN106784534A公开了一种PVDF及其共聚物陶瓷涂覆隔膜的制备方法。陶瓷填料的使用降低了PVDF的结晶度，同时提高了隔膜的吸液率。再如中国专利CN106684296A公开了一种安全性好的PVDF混合涂覆隔膜及其制备方法。该发明通过将PVDF和Mg(OH)₂颗粒直接混合，Mg(OH)₂降低PVDF的结晶度，提高锂离子传导的无定形区，提高锂电池的倍率放电和循环性能。为了进一步提高隔膜的孔隙率、吸液量、电解液润湿性及机械性能，新型无机填料的研究仍然是目前的热点问题。

地开石是一种常用的工业原料，由于具有1:1型层状结构，并且结构单元层单元层之间作用力相对较弱，通过有机小分子插层-脱除处理后能够实现地开石片层的膨胀，从而得到具有贯通网孔结构的膨化地开石粉体。将该粉体填充于PVDF基体中，能有效抑制PVDF结晶，促进隔膜成孔。同时，膨化地开石的贯通网孔能在PVDF基体中够造出孔道发达、孔隙率高的多孔结构，从而促进锂离子在其中的传输。此外，地开石单元层表面含有丰富的官能团对水系电解液和有机电解液均具有良好的适应性，能够提高隔膜对不同电解液的润湿性，从而降低电池阻抗，提高电池的倍率性能和循环性能。另外，为了提高隔膜的机械性能，在隔膜制备过程中，采用玄武岩短切纤维作为补强纤维提高复合隔膜的机械强度和柔韧性。

基体膨化地开石独特的结构特征及在锂离子电池隔膜领域的应用前景。本发明提出一种利用膨化地开石作为填料、玄武岩纤维为补强剂、PVDF为基体，制备新型锂离子电池隔膜的方法，该方法过程简单，原料易于获得、价格低廉，有效提高锂离子电池的在大电流充放电过程中的容量特性。

发明内容：

本发明首先制备具有贯通网孔结构的膨化地开石粉体，在将该粉体填充于PVDF基体中够造孔道发达、孔隙率高的隔膜材料。同时，在PVDF基体中添加玄武岩短切纤维作为补强纤维提高复合隔膜的机械强度和柔韧性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种膨化地开石修饰及玄武岩纤维增强的锂离子电池隔膜及其制备方法，包括以下步骤：