[发明专利]一种聚酰亚胺/氧化镁复合锂离子电池隔膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种聚酰亚胺/氧化镁复合锂离子电池隔膜的制备方法，采用离子交换的方法在聚酰胺酸纤维上引入Mg²⁺金属离子，再经过后续热处理，同时实现聚酰胺酸的酰亚胺化和MgO纳米颗粒的形成。所述的实施方法如下:首先以二胺和二酐为单体合成聚酰胺酸作为纺丝溶液，并通过静电纺丝得到聚酰胺酸纳米纤维膜；然后配制一定浓度的镁盐溶液，将聚酰胺酸纳米纤维膜浸入镁盐溶液中一段时间进行离子交换，并清洗干燥，最后经过热亚胺化，得到聚酰亚胺/氧化镁复合纳米纤维膜。本发明方法简单且成本低，氧化镁同轴包覆于聚酰亚胺纳米纤维膜表面，增加了隔膜电解液浸润性，并提高阻燃性，在新型锂离子电池隔膜领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于聚酰亚胺纳米纤维膜技术领域，涉及一种聚酰亚胺/氧化镁复合锂离子电池隔膜及其制备方法。

背景技术

数字时代的迅速发展使锂离子电池在日常生活中必不可少。目前，锂离子电池的研发重点主要包括增加能量密度，延长使用寿命和提高安全性。这些性质在很大程度上取决于锂离子电池的基本成分，即正负电极，电解质和隔膜，因此电极，电解质和隔膜的设计和开发具有实际重要性。作为锂离子电池的核心组成部件，隔膜材料在电池的制造中起着至关重要的作用，被称为电池的“第三电极”。隔膜可以避免电池正负极直接接触，进而防止短路，同时还可以保证充放电时离子的正常通过，使电池正常工作。但目前锂离子电池的安全性在商业生产中仍存在争议。在高温或极端天气条件下，隔膜的急剧收缩会导致短路或过度充电，发生一系列有害的副反应，产生过多的热量，甚至可能导致隔膜熔化或起火。因此，通过改进隔膜来防止短路和危险的电池爆炸是目前的研究热点。

当前商业隔膜包括聚烯烃(聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE))隔膜，其具有较为优异的性能和低廉的成本。然而，聚烯烃的熔点较低(PE：130℃，PP：160℃)，其热稳定性不足以承受极端温度，将其应用于锂离子电池会带来一些安全风险。为了解决这个问题已经做出了相当大的努力，陶瓷涂覆改性是目前常用的方法，例如，通过在其上涂覆一层氧化铝来改善PE微孔基材的热稳定性；制备了SiO₂-聚(甲基丙烯酸甲酯)核壳亚微球，并将其涂覆在商用多孔PE膜的一侧，以提高安全性。但是，这些陶瓷基涂料在常规的多孔PE膜上涂覆时，会堵塞孔或降低孔隙率，这会降低其离子传导性，并最终降低电池的功率密度。因此研究人员开发出许多方法来制造具有纳米纤维形态的纳米级材料，这些材料具有增强的电化学性能、高耐温性能、高的浸润性和安全性。

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，在聚合物溶液和集电板之间利用电场，以迫使聚合物溶液从细孔中喷出。随着溶液射流的移动，溶剂蒸发留下带电的聚合物纤维以无规取向的微纤维或纳米纤维网的形式聚集在接地的收集器上。采用静电纺丝制得的纤维直径可达纳米级，并可在几纳米到几微米间进行调节，其制备装置简单、纺丝成本低廉、原料来源广泛等突出优点，受到了工业和学术界的广泛关注。现在，已经使用电纺技术制备了四十多种不同类型的有机聚合物纳米纤维，用于工程，塑料，光学和电子设备，生物聚合物合成等领域。

聚酰亚胺(PI)是一类分子链中含有酰亚胺环结构的高性能聚合物材料，综合性能极其优异，具有轻质高强度、耐高低温性能、耐化学腐蚀和特有的耐辐照性能，从上世纪60年代问世以来，被广泛运用于电子电器、微电子、民用航空、原子能等较为关键领域。通过静电纺丝制备的聚酰亚胺基纳米纤维膜的新型耐高温聚合物隔膜是当前电池隔膜最为期许的选择之一。这是因为与聚烯烃微孔膜相比，这种隔膜在提高隔膜的透气性和吸液率方面具有突出的优势，同时结合了聚酰亚胺材料突出的耐热性能和化学稳定性能。在本发明中，采用离子交换并结合热亚胺化，使氧化镁同轴包覆于聚酰亚胺纳米纤维膜表面，与纯的聚酰亚胺纳米纤维膜相比，增加了其电解液浸润性，并使隔膜具备阻燃性，是一种新型的高性能复合纳米纤维膜，在新型锂离子电池隔膜领域具有广阔的应用前景。

发明内容