[发明专利]一种高强度纤维结构锂电隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高强度纤维结构锂电隔膜及其制备方法，将微米纤维均匀分散到纳米纤维纺丝液中，微米纤维在纳米纤维纺丝液中不溶解、可稳定存在，采用静电纺丝法制备隔膜。本发明生产的隔膜具有良好的离子传递性能、抗穿刺性能和拉伸强度性能，隔膜抗穿刺强度大于300克，横向和纵向拉伸强度均大于50MPa，进而有效提升电池的充放电性能和安全性能。其生产工艺简单、效率高，适合规模化生产。

技术领域

本发明涉及电池隔膜制备领域，特别是一种高强度纤维结构锂电隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

世界各国都将新能源产业提升到前所未有的战略高度，发展动力电池受到人们的普遍关注。作为锂离子电池的重要组件，隔膜被用于隔离电池正负极，同时允许导电离子通过，保证电池完成充放电过程，其性能对电池具有重要影响。作为锂电池的四大组件之一，以聚乙烯和聚丙烯为代表的微孔隔膜成为当前主流的商品化锂电隔膜。但鉴于聚烯烃材料本身的低熔点和表面能低等问题，该类微孔膜无法提供给锂离子电池足够的安全性，近年来，发生了多起与锂离子电池系统相关的起火、爆炸事故，锂电池的安全性直接影响其进一步的市场发展，开发满足下一代动力锂电池的新型隔膜成为研究热点，尤其是改善隔膜的耐高温性和电解液亲和性成为两大急需迫切解决的问题。

针对上述问题，发明专利申请(公开号CN104157815A)将细菌纳米纤维素湿膜通过溶剂置换法，将锂电池电解液浸入纤维膜的纳米孔中，再采用热压的方法获得具有锂离子传递功能的隔膜。但是，经过电池测试结果表明，该方法所获得的电池隔膜孔径较低，尚不能满足动力锂离子电池大电流充放电的实际使用需求。另外，有研究者用静电纺丝法制备纳米纤维锂电隔膜，可以获得较高的孔隙率，但是由于纳米纤维之间的结合力较差，导致该类隔膜的孔结构稳定性和机械拉升性能较差，仍需要进一步完善。因此，满足下一代高端动力锂离子电池要求的隔膜及其制备技术的研究还显得任重道远，需要从材料和造孔技术等方面进行更深入地研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高强度纤维结构锂电隔膜，制备所述隔膜的原材料包括纳米纤维和微米纤维。

进一步的，微米纤维直径为0.5-3.5μm，长度为20-60μm。微米纤维为氧化钛纤维、聚芳纶纤维或玻璃纤维的一种或几种的混合。微米纤维与纳米纤维的质量比为1:5～5:1。微米纤维以单分散状态、垂直于纳米纤维的直径方向分布，同时，微米纤维与其它纳米纤维之间呈现缠绕形式。隔膜的孔隙率为70-90％。

纳米纤维为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四甲基戊烯或聚苯醚树脂中的一种或几种的混合。采用溶剂溶解纳米纤维形成纳米纤维纺丝液，溶剂为极性有机溶剂。纳米纤维纺丝液的质量百分比浓度为5-25％。进一步的，溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺或者丙酮与二甲基乙酰胺的混合溶剂。微米纤维在纳米纤维纺丝液中不溶解、可稳定存在。

本发明还提供一种高强度纤维结构锂电隔膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)溶解纳米纤维形成纳米纤维纺丝液；

(2)将微米纤维均匀分散到纳米纤维纺丝液中，微米纤维在纳米纤维纺丝液中不溶解、可稳定存在；

(3)采用静电纺丝法制备隔膜。

进一步的，纳米纤维为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四甲基戊烯或聚苯醚树脂中的一种或几种的混合。步骤(1)中纳米纤维纺丝液的质量百分比浓度为5-25％。步骤(1)中采用溶剂溶解纳米纤维，溶剂为极性有机溶剂。

步骤(2)中微米纤维与纳米纤维的质量比为1:5～5:1。微米纤维直径为0.5-3.5μm，长度为20-60μm。微米纤维为氧化钛纤维、聚芳纶纤维或玻璃纤维的一种或几种的混合。

步骤(3)采用静电纺丝法制备隔膜时，推进速度为0.1-15ml/分钟，纺丝电压为10-40KV，接收距离为8-25cm。