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CN102569699A - 一种动力锂电池隔膜的制备方法 - Google Patents

一种动力锂电池隔膜的制备方法 Download PDF

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CN102569699A CN201110396320XA CN201110396320A CN102569699A CN 102569699 A CN102569699 A CN 102569699A CN 201110396320X A CN201110396320X A CN 201110396320XA CN 201110396320 A CN201110396320 A CN 201110396320A CN 102569699 A CN102569699 A CN 102569699A
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何永彬
蔡朝辉
吴耀根
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Abstract

本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种动力锂电池隔膜的制备方法；其包括了溶解、加助剂、挤出、铸片、拉伸成莫、定型等步骤，最后得到聚烯烃树脂微孔膜，即锂电池隔膜。本发明的制备方法所得到的隔膜厚度在10-25μm；优选的隔膜的孔隙率在40-70%，105℃热收缩率在5%以下；通过本发明的方法制备的隔膜具有较低的闭孔温度的同时又具有较高的熔断温度、较小的热收缩率，较好的力学性能，用作动力锂离子电池的隔膜具有优良的安全性能。另外，本发明的动力锂离子电池用隔膜是聚乙烯微孔单层薄膜，通过拉伸、定型等加工，具有较好的热稳定性。

Description

一种动力锂电池隔膜的制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，具体涉及一种动力锂电池隔膜的制备方法。
背景技术
电池新材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键材料，随着中国快速发展的经济对电池新材料需求的增加，中国政府将继续在政策、资金等方面支持电池新材料的研究与发展。与此同时，日益完善的生产技术和价格优势将增强我国电池新材料厂商的竞争力，而且电池下游手机、笔记本电脑、数码相机、摄像机、汽车等产品对新型、高效、环保电池新材料仍然保持强劲的需求，中国电池新材料市场发展空间巨大。
动力锂离子电池是锂离子电池的高端产品。它主要应用在如电动自行车、混合动力汽车、全电力动力汽车等高端领域。动力锂离子电池隔膜是动力锂离子电池的三大核心元件之一，锂离子电池对隔膜的性能要求较高，如耐化学腐蚀、吸收与保持电解能力、良好的机械加工性能、隔膜厚度的均匀度、孔径的均匀度以及孔隙率等等都是其需要考虑的因素。其中，透气性是隔膜的一个重要指标，透气性越好则锂离子透过隔膜的导通性就越好，隔膜的电阻也就越低。
目前，动力锂电池广泛使用的隔膜是PP(聚丙烯)/PE(聚乙烯)/PP(聚丙烯)三层隔膜，由于PE层具有较低的闭孔温度，PP层具有较高的熔破温度，所以这种隔膜具有较宽的安全温度窗口，应用于动力电池领域具有一定的优势。然而，这种三层隔膜在拉伸强度、穿刺强度、孔隙率方面还存在着很大的不足，导致其使用受到一定的限制，例如当锂电池在受到外力冲击作用下，隔膜层由于力学强度缺陷很容易破裂而导致电池短路，所以，要适应高端领域锂电池的发展电池隔膜必须具有较好的力学强度。另外，动力电池由于大功率充放电的需要，其透气性能要求较好，对孔隙率较高。而目前的多层隔膜由于工艺非常复杂，在孔隙率控制方面存在很大不足，不能满足锂电池高端领域的需要。
发明内容
为了克服上述缺陷，满足更高层次的需要，本发明的目的在于提供一种制备动力锂电池隔膜的方法，工艺流程简单、充分有效地利用材料本身的性质，有效提高隔膜的孔隙率及力学强度。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种动力锂电池隔膜的制备方法，其包括以下步骤：
溶解：将超高分子量聚烯烃树脂用高沸点的小分子量化合物做溶剂，经加热、搅拌混合成均一溶液；
加助剂：在上述混合均匀的溶液中添加助剂；
挤出、铸片：用双螺杆挤出机将所述溶液经由模头热挤出，之后在铸片辊上冷却铸成凝胶片材；
拉伸成膜：将厚片预热后，从纵、横两个方向拉伸制成薄膜；
定型：对拉伸后的薄膜用抽提剂洗脱溶剂、助剂，并经干燥、热定型后，得到聚烯烃树脂微孔膜，即锂电池隔膜。
为了保证聚烯烃微孔膜(PE隔膜)具有不同的机械性能，如拉升强度和穿刺强度等，以满足实际的需要，可以通过调节具有超高分子量的聚烯烃和高沸点的小分子量化合物的比例来实现，优选的，本发明所述的高沸点的小分子量化合物和超高分子量聚烯烃树脂的用量以质量百分比计分别为67-89.9％，10-30％。
所述超高分子量聚烯烃树脂聚为丙烯、聚乙烯、聚丁二烯的一种或两种以上，分子量在1,000,000-5,000,000之间。
所述高沸点的小分子量化合物为壬烷、癸烷等脂肪烷烃类，矿物油类，邻苯二甲酸酯类，二苯醚类中的一种，沸点在200℃以上。
所述助剂为抗氧剂、消泡剂，助剂用量占高沸点的小分子量化合物和超高分子量聚烯烃树脂总重量的0.1-3％。
所述热挤出温度为160-300℃，铸片厚度为800-2500um。
所述拉伸成膜步骤中，拉伸总倍率为3-15，拉伸温度为100-150℃。
所述抽提剂为环己烷、戊烷、己烷、庚烷、卤代烃和醚类中的一种或两种以上。
所述热定型温度为100-150℃，时间为0-300s。
聚烯烃微孔隔膜的厚度小于10μm时，难以获得具有足够机械性能的隔膜，而且闭孔温度也会向低温迁移；而隔膜厚度大于25um，则会使隔膜的厚度过大，导致隔膜能量密度降低，本发明聚烯烃微孔隔膜的厚度优选的范围是10-25μm；优选的隔膜的孔隙率在30-80％，高温热收缩率在5％以下。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的动力锂电池隔膜的制备方法工艺简单，易于操作，材料的利用率高，环境污染小，通过本发明的方法制备的隔膜具有较低的闭孔温度的同时又具有较高的熔断温度、较小的热收缩率，用作动力锂离子电池的隔膜具有优良的安全性能。另外，本发明的动力锂离子电池用隔膜是聚乙烯微孔单层薄膜，电解液允许从隔膜的一面穿透至另一面，且通过拉伸、定型等加工，使其具有充分的热稳定性、耐电解液腐蚀性，同时高温热收缩率小。再者，本发明的制备方法中，最后通过抽提剂洗脱隔膜中可能含有的溶剂，保证了隔膜的性能不受剩余溶剂的影响。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式
本发明的动力锂电池隔膜的制备方法，其包括以下步骤：
溶解：将聚烯烃树脂用高沸点的小分子量化合物做溶剂，经加热、搅拌混合成均一溶液；
加助剂：在上述混合均匀的溶液中添加助剂；
挤出、铸片：用双螺杆挤出机将所述溶液经由模头热挤出，之后在铸片辊上冷却铸成凝胶片材；
拉伸成膜：将厚片预热后，从纵、横两个方向拉伸制成薄膜；
定型：对拉伸后的薄膜用抽提剂洗脱溶剂，并经干燥、热定型后，得到聚烯烃树脂微孔膜，即锂电池隔膜。
下面是本发明优选的实施例。
实施例1
使用超高分子量聚乙烯(UHMWPE，Mw＝5×106，熔点134℃)作为聚乙烯原料，将10份重量的UHMWPE和89.9份重量的邻苯二甲酸二丁酯加入混和罐，加热、搅拌混合均匀后，添加0.1份的抗氧剂、消泡剂经过精确计量系统加入到双螺杆挤出机，通过在双螺杆挤出机中使聚乙烯在220℃及200rpm条件下熔融并混和，形成聚乙烯溶液，得到的溶液通过计量泵从模头挤出；通过模头挤出的膜片通过快速冷却至室温，制得凝胶状800-2500um厚膜片，膜片接着在120℃下预热，预热后沿着纵、横两个双向各拉伸10倍，拉伸后的薄膜通过二氯甲烷烷洗涤、干燥后在100℃下热定型，得到16μm聚乙烯微孔隔膜。
实施例2
使用超高分子量聚乙烯(UHMWPE，Mw＝3.4×106，熔点134℃)作为聚乙烯原料，将20份重量的UHMWPE和79份重量的癸烷加入混和罐，加热、搅拌混合均匀后，添加1份的抗氧剂和消泡剂，经过精确计量系统加入到双螺杆挤出机，通过在双螺杆挤出机中使聚乙烯在220℃及200rpm条件下熔融并混和，形成聚乙烯溶液，得到的溶液通过计量泵从模头挤出；通过模头挤出的膜片通过快速冷却至室温，制得凝胶状800-2500um厚膜片，膜片接着在120℃下预热，预热后沿着纵、横两个双向各拉伸10倍，拉伸后的薄膜通过己烷洗涤、干燥后在110℃下热定型，得到16μm聚乙烯微孔隔膜。
实施例3
使用超高分子量聚乙烯(UHMWPE，Mw＝1×106，熔点134℃)作为聚乙烯原料，将40份重量的UHMWPE和59.9份重量的白矿油加入混和罐，加热、搅拌混合均匀后，添加0.1份的抗氧剂、消泡剂经过精确计量系统加入到双螺杆挤出机，通过在双螺杆挤出机中使聚乙烯在220℃及200rpm条件下熔融并混和，形成聚乙烯溶液，得到的溶液通过计量泵从模头挤出；通过模头挤出的膜片通过快速冷却至室温，制得凝胶状800-2500um厚膜片，膜片接着在150℃下预热，预热后沿着纵、横两个双向各拉伸10倍，拉伸后的薄膜通过戊烷洗涤、干燥后在120℃下热定型，得到16μm聚乙烯微孔隔膜。
对比实施例
将上述实施例1-3中的聚乙烯微孔隔膜通现有的PP(聚丙烯)/PE(聚乙烯)/PP(聚丙烯)三层隔膜进行各项性能的测试，性能测试结果见表1：
从表1的结果可以看出：本发明的制备方法的到的隔膜在各项性能上均优于PP(聚丙烯)/PE(聚乙烯)/PP(聚丙烯)三层隔膜。
表1：实施例及现有隔膜的性能对照表
Figure BDA0000115669640000061
上述实施例仅为本发明优选的实施案例，不能以此来限定本发明所要求保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明多要求保护的范围。

Claims (10)

1. 一种动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
溶解：将超高分子量聚烯烃树脂和石蜡油用高沸点的小分子量化合物做溶剂，经加热、搅拌混合成均一溶液；
加助剂： 在上述混合均匀的溶液中添加助剂；
挤出、铸片：用双螺杆挤出机将所述溶液经由模头热挤出，之后在铸片辊上冷却铸成厚片； 
拉伸成膜：将厚片预热后，从纵、横两个方向拉伸制成薄膜；
定型：对拉伸后的薄膜用抽提剂洗脱溶剂，并经干燥、热定型后，得到聚烯烃树脂微孔膜，即锂电池隔膜。
2. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述高沸点的小分子量化合物和超高分子量聚烯烃树脂的用量以质量百分比计分别为67-89.9%，10-30%。
3. 根据权利要求1或2所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述超高分子量聚烯烃树脂聚为丙烯、聚乙烯、聚丁二烯的一种或两种以上，分子量在1,000,000-5,000,000之间。
4. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述高沸点的小分子量化合物为脂肪烷烃类、矿物油类，邻苯二甲酸酯类、醚类中的一种，沸点在200℃以上。
5. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述助剂为抗氧剂、消泡剂，助剂用量占高沸点的小分子量化合物和超高分子量聚烯烃树脂总重量的0.1-3%。
6. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述热挤出温度为160-300℃，铸片厚度为800-2500um。
7. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述拉伸成膜步骤中，纵向和横向的拉伸倍率分别为3-15倍，拉伸温度为100-150℃。
8. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述抽提剂为环己烷、戊烷、己烷、庚烷、卤代烃和醚类中的一种或两种以上。
9. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述热定型温度为100-150℃，时间为0-300s。
10. 根据权利要求1所述的动力锂电池隔膜的制备方法，其特征在于：所述超高分子量聚烯烃微孔膜的厚度在于10-25μm，孔隙率在40-70%，105℃热收缩率在5%以下。
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