专利名称：一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种锂电池用隔膜及其制备方法，具体地说，本发明涉及一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜及其制备方法，属于锂电池隔膜技术领域。
背景技术：
在锂电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环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重要的作用。隔膜是锂电材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料，约占锂电池成本的20%-30%。隔膜价格居高不下的主要原因是一些制作隔膜的关键技术被日本和美国所垄断，国产隔膜特别是高端隔膜的指标还未达到国外产品的水平。隔膜技术难点在于造孔的工程技术及基体材料。传统隔膜是采用聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)，这些基体材料熔点低，在高温下容易热收缩甚至熔融导致隔膜破裂导致严重的安全问题。
新型锂电池，特别是动力电池和储能电池对隔膜性能提出了更高的要求。以静电纺丝的方法，将熔点更高、化学性能更好的高分子聚合物制备成纳米纤维隔膜的方法已经受到广泛的关注。
聚砜(简称PSF或PSU)具有极佳的耐高温性能，还有尺寸稳定性，抗化学性、阻燃、 电气性、高强度、高介电强度、高刚性等众多优异性能。以该材料制备的纳米纤维隔膜具有非常好的耐高温性能，同时还具有孔隙率高、耐形变等特点，是非常优秀的下一代锂电隔膜，能够极大的提高锂电的安全性。
国家知识产权局于2010. 12. 15公开了一件申请号为201010221475. 5，名称为“一种水溶液电化学器件用的聚合物隔膜”的发明专利，该专利公开了一种水溶液电化学器件用的聚合物隔膜。这种隔膜以聚砜类工程塑料和聚乙烯吡咯烷酮为原料，通过溶剂溶解并混合后涂铸成膜，再使用含低级醇的电化学器件用电解质溶液对膜进行亲水化处理后而成。本发明所得到的共混膜均相、致密，具有优越的化学与热稳定性，以及优异的机械 性能及优良的导电性能，可以作为水电解、电池、超级电容器、液流电池等水溶液电化学器件的隔膜材料。
上述专利中的隔膜成膜的均一性差，且孔隙率有限；其制备方法为溶液法，使得在大面积制备隔膜时，更加难于控制成膜的均一性。发明内容
本发明旨在解决现有技术中的电池隔膜均一性差、孔隙率有限的问题，提供一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜，其抗撕裂性强、孔隙率高、能耐高低温及机械性能优异。
本发明的另一目的是提供一种上述聚砜纳米纤维隔膜的优化制备方法，使制备出来的隔膜成膜均一性更好，孔隙率更高。
为了实现上述发明目的，其具体的技术方案如下一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中，再经过静电纺丝制成，其特征在于所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜厚度为10-50 μ m，直径为100-300nm，断裂伸长率为15_25%，热分解温度250-350°C，孔隙率20-90%，机械拉伸强度15_20MPa，电击穿强度IX IO7-L 5X 107V/m。
上述聚砜为本领域公知的任意常规聚砜，如聚芳砜、聚醚砜、双酚A型聚砜等。
一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤 将一种或者任意比例的多种聚砜在常温下溶解于极性有机溶剂中，搅拌反应后得到聚砜溶液，然后将所述的聚砜溶液在高压电场中在电场强度为10-50kV下实施静电纺丝，静电纺丝完成后收集得到锂电池用聚砜纳米纤维隔膜。
优选的，本发明所述的极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)或者N，N-二甲基乙酰胺(DMAC)。
优选的，本发明所述的极性有机溶剂占聚砜溶液质量的10-90%。
更进一步的，所述的极性有机溶剂中加入极性有机溶剂质量5-25%的丙酮。
优选的，本发明所述的搅拌反应时 间为1-5小时。
优选的，本发明所述的静电纺丝完成后收集得到聚砜纳米纤维隔膜是指采用不锈钢滚筒收集。
更进一步的，所述的不锈钢滚筒直径为O. 3-0. 8m。
一种采用上述锂电池用聚砜纳米纤维隔膜制成的锂电池。
上述制备锂电池的方法为本领域常规工艺。
本发明带来的有益技术效果1、本发明的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜断裂伸长率为15-25%，热分解温度 250-350°C，孔隙率20-90%，机械拉伸强度15_20MPa，电击穿强度I X IO7-L 5X 107V/m，均一性好,孔隙率高,适合大规模生产；2、本发明的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜具有抗撕裂、抗热收缩、耐高温、耐高压大电流过充(电)的优点，本发明的聚砜纳米纤维隔膜应用于各种高容量和高动力电池隔膜，如汽车动力电池和电力储能行业中具有巨大的潜在市场；3、本发明提供的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的高压静电纺丝制备方法使得锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的成膜均一性更好，孔隙率进一步提高；4、本发明的制备方法中，优选的在极性有机溶剂中加入丙酮，有助于纳米纤维表面光洁，减少毛刺；优选的搅拌反应时间使得溶解更加充分的同时，提高了生产效率；优选的静电纺丝完成后收集得到聚砜纳米纤维隔膜采用不锈钢滚筒收集，易清洁，有助于将成型的纳米纤维布从表面剥离；更进一步的限定不锈钢滚筒的直径，既保证了转动灵活，又保证了纺丝速度与转动速度能够保持一致，保证了产品的质量。
具体实施方式
实施例1一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中，再经过静电纺丝制成，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜厚度为 ο μ m,直径为lOOnm，断裂伸长率为15%，热分解温度250°C，孔隙率20%，机械拉伸强度15MPa，电击穿强度IX 107V/m。
实施例2一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中，再经过静电纺丝制成，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜厚度为50 μ m,直径为300nm，断裂伸长率为25%，热分解温度350°C，孔隙率90%，机械拉伸强度20MPa，电击穿强度1. 5X 107V/m。
实施例3一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中，再经过静电纺丝制成，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜厚度为30 μ m,直径为200nm，断裂伸长率为20%，热分解温度300°C，孔隙率55%，机械拉伸强度17. 5MPa，电击穿强度1. 25X 107V/m。
实施例4一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中，再经过静电纺丝制成，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜厚度为21 μ m，直径为260nm，断裂伸长率为17%，热分解温度271 °C，孔隙率85%，机械拉伸强度19MPa，电击穿强度1. 35X 107V/m。
实施例5一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，包括以下工艺步骤将一种或者任意比例的多种聚砜在常温下溶解于极性有机溶剂中，搅拌反应后得到聚砜溶液，然后将所述的聚砜溶液在高压电场中在电场强度为IOkV下实施静电纺丝，静电纺丝完成后收集得到锂电池用聚砜纳米纤维隔膜。
实施例6 一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，包括以下工艺步骤将一种或者任意比例的多种聚砜在常温下溶解于极性有机溶剂中，搅拌反应后得到聚砜溶液，然后将所述的聚砜溶液在高压电场中在电场强度为50kV下实施静电纺丝，静电纺丝完成后收集得到锂电池用聚砜纳米纤维隔膜。
实施例7一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，包括以下工艺步骤将一种或者任意比例的多种聚砜在常温下溶解于极性有机溶剂中，搅拌反应后得到聚砜溶液，然后将所述的聚砜溶液在高压电场中在电场强度为30kV下实施静电纺丝，静电纺丝完成后收集得到锂电池用聚砜纳米纤维隔膜。
实施例8一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，包括以下工艺步骤将一种或者任意比例的多种聚砜在常温下溶解于极性有机溶剂中，搅拌反应后得到聚砜溶液，然后将所述的聚砜溶液在高压电场中在电场强度为43kV下实施静电纺丝，静电纺丝完成后收集得到锂电池用聚砜纳米纤维隔膜。
实施例9在实施例5-8的基础上优选的，所述的极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
优选的或者更进一步的，所述的极性有机溶剂占聚砜溶液质量的10%。
更进一步的，所述的极性有机溶剂中加入极性有机溶剂质量5%的丙酮。
优选的，所述的搅拌反应时间为I小时。
优选的，所述的静电纺丝完成后收集得到聚砜纳米纤维隔膜是指采用不锈钢滚筒收集。
更进一步的，所述的不锈钢滚筒直径为O. 3m。
实施例10在实施例5-8的基础上优选的，所述的极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
优选的或者更进一步的，所述的极性有机溶剂占聚砜溶液质量的90%。
更进一步的，所述的极性有机溶剂中加入极性有机溶剂质量25%的丙酮。
优选的，所述的搅拌反应时间为5小时。
优选的，所述的静电纺丝完成后收集得到聚砜纳米纤维隔膜是指采用不锈钢滚筒收集。
更进一步的，所述的不锈钢滚筒直径为O. 8m。
实施例11在实施例5-8的基础上优选的，所述的极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
优选的或者更进一步的，所述的极性有机溶剂占聚砜溶液质量的50%。
更进一步的，所述的极性有机溶剂中加入极性有机溶剂质量15%的丙酮。
优选的，所述的搅拌反应时间为3小时。
优选的，所述的静电纺丝完成后收集得到聚砜纳米纤维隔膜是指采用不锈钢滚筒收集。
更进一步的，所述的不锈钢滚筒直径为O. 55m。
实施例12在实施例5-8的基础上优选的，所述的极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
优选的或者更进一步的，所述的极性有机溶剂占聚砜溶液质量的75%。
更进一步的，所述的极性有机溶剂中加入极性有机溶剂质量12%的丙酮。
优选的，所述的搅拌反应时间为2小时。
优选的，所述的静电纺丝完成后收集得到聚砜纳米纤维隔膜是指采用不锈钢滚筒收集。
更进一步的，所述的不锈钢滚筒直径为O. 72m。
实施例13选用双酚A型聚砜，主要结构如(I)所示，溶解于N，N —二甲基甲酰胺(DMF)的溶剂中，常温搅拌5小时，配成质量分数为20%的溶液。
电纺加工所用高压电场的电场强度为40kV/m ;电纺出的隔膜收集到不锈钢滚筒上。
性能表征聚砜纳米纤维直径为100-300nm，主要分布在200nm左右，该种隔膜的拉伸强度为18MPa、断裂伸长率为16%、玻璃化转变温度为190°C，热分解温度为330°C、孔隙率为78%、电击穿强度为1. 2X 107V/m。
权利要求
1.一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜，所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中，再经过静电纺丝制成，其特征在于所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜厚度为10-50 μ m，直径为100-300nm，断裂伸长率为15_25%，热分解温度250-350°C，孔隙率20-90%，机械拉伸强度15_20MPa，电击穿强度I X IO7-L 5 X 107V/m。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于 包括以下工艺步骤将一种或者任意比例的多种聚砜在常温下溶解于极性有机溶剂中，搅拌反应后得到聚砜溶液，然后将所述的聚砜溶液在高压电场中在电场强度为10-50kV下实施静电纺丝，静电纺丝完成后收集得到锂电池用聚砜纳米纤维隔膜。
3.根据权利要求2所述的一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于 所述的极性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺或者N，N-二甲基乙酰胺。
4.根据权利要求2或3所述的一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于所述的极性有机溶剂占聚砜溶液质量的10-90%。
5.根据权利要求4所述的一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于 所述的极性有机溶剂中加入极性有机溶剂质量5-25%的丙酮。
6.根据权利要求2所述的一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于 所述的搅拌反应时间为1-5小时。
7.根据权利要求2所述的一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于 所述的静电纺丝完成后收集得到聚砜纳米纤维隔膜是指采用不锈钢滚筒收集。
8.根据权利要求7所述的一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜的制备方法，其特征在于 所述的不锈钢滚筒直径为O. 3-0. Sm。
9.一种采用如权利要求1所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜制成的锂电池。
全文摘要
本发明涉及一种锂电池用聚砜纳米纤维隔膜及其制备方法，属于锂电池隔膜技术领域。所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜由一种或者任意比例的多种聚砜溶解于极性有机溶剂中，再经过静电纺丝制成，其特征在于所述的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜厚度为10-50μm，直径为100-300nm，断裂伸长率为15-25%，热分解温度250-350℃，孔隙率20-90%，机械拉伸强度15-20MPa，电击穿强度1×107-1.5×107V/m。本发明的锂电池用聚砜纳米纤维隔膜具有抗撕裂、抗热收缩、耐高温、耐高压大电流过充(电)的优点，且均一性好，孔隙率高。
文档编号H01M2/16GK103000851SQ20121055807
公开日2013年3月27日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者王睿, 王荣贵, 吴仕明, 胡蕴成 申请人:中国东方电气集团有限公司