一种耐热收缩的有机／无机复合型锂电隔膜及其制备方法与流程

本发明涉及一种耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜及其制备方法，属于锂电池隔膜领域。

背景技术：

近年来，锂离子电池由于其优异的循环寿命，较高的能量密度，环境友好等特点而引起了人们的极大关注。作为锂离子电池的关键部件之一，隔膜在提供锂离子传递通道的同时，对于防止正负极之间的物理接触同样起着重要作用。随着锂电池向着高能量密度，高安全性和长寿命的不断发展，以及电极材料的不断升级，隔膜将面临新的挑战。

在过去的几十年中，商用聚烯烃隔膜由于其良好的机械强度、化学稳定性，均匀的孔结构和突出的成本优势在锂电池隔膜市场中占据主导地位。当锂离子电池应用于电动车电源时，聚烯烃隔膜的固有缺陷变得越发明显(例如：低熔点、低电解液亲和性等)。热稳定性在电池安全性方面起着重要作用，而聚烯烃隔膜较低的热收缩温度会导致电池的热失控等一系列安全问题，对于动力电池这个问题更为严重。在聚烯烃隔膜上涂覆陶瓷颗粒是提高热稳定性的有效方法之一，可以在200℃的高温下保持隔膜的完整性。然而，由于隔膜厚度的增加和孔隙的堵塞，无机涂层将不可避免地牺牲基隔的离子传导性。显然，提高隔膜的热稳定性和提高锂离子的运输能力在当前状态下是一对矛盾的问题。因此，获得具有优异的热稳定性和锂离子传输能力的新型隔膜是一个很大的挑战。

近年来，聚四氟乙烯材料由于耐高温、化学稳定性好、机械强度高，受到了广泛关注，且已在质子交换膜领域得到了一定应用。美国专利us5547551以具有微孔结构的膨体聚四氟乙烯(e-ptfe)为基膜支撑层填充nafion离子导电液，制备了超薄、耐用、高功率密度的质子交换膜。中国专利公告号cn101728549a，公开了一种高温质子交换复合膜的制备方法，将具有离子交换功能的全氟树脂填充到含氟微孔膜中并覆于微孔膜表面，复合膜厚度仅为5～15μm，用于燃料电池可使电池的内阻大大减小，从而提高了电池的输出功率。然而，将聚四氟乙烯，特别是膨体聚四氟乙烯(e-ptfe)应用于锂电池隔膜领域的报道还很少。同时，在聚四氟乙烯带来耐高温红利的同时，其低表面能所带来的电解液润湿性问题仍是将其应用于锂电体系的瓶颈所在。

技术实现要素：

针对现有锂电隔膜安全性能及电池性能的不足，本发明旨在提供一种耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜及其制备方法，本发明制备工艺简单易行，拓宽了膨体聚四氟乙烯薄膜在锂电隔膜领域的应用。

本发明的技术方案是：

一种耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜，以具有微孔结构的膨体聚四氟乙烯(e-ptfe)薄膜为载体，以具有极强粘附性的聚多巴胺(pda)为粘结层，通过自组装的形式将纳米二氧化硅(sio2)陶瓷颗粒原位粘附于整个e-ptfe结构中。

所述的耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜，具有微孔结构的e-ptfe薄膜由具有结点和纤维的微观结构组成，厚度为10～30μm，孔隙率为50～70％，孔径为0.1～1μm。

所述的耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜，具有微孔结构的e-ptfe薄膜为单向拉伸膜。

所述的耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜，通过自组装形成的纳米二氧化硅的粒径为10～50nm，sio2的重量占整个隔膜的1.5～6.0wt.％。

所述的耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜，所制备的复合型锂电隔膜厚度为10～30μm，孔隙率为45～65％，孔径为0.08～0.70μm。

所述的耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将e-ptfe薄膜用乙醇预润湿，然后浸入含多巴胺盐酸盐浓度为2gl^-1的共溶剂中5～10h，用以进行隔膜表面多巴胺单体的自聚反应，共溶剂为体积比1:1的乙醇和tris-hcl缓冲液(ph＝8.5)；反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在40～60℃真空烘箱中干燥至恒重；

(2)将步骤(1)制得隔膜浸入含0.25moll^-1正硅酸乙酯(teos)、7.5moll^-1去离子水和0.1moll^-1氨水的乙醇溶液中进行硅溶胶脱水缩合反应；在20～50℃温度条件下，充分反应2～10h；反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在40～60℃真空烘箱中烘干得到所制隔膜。

所述的耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜的制备方法，步骤(1)所涉及的e-ptfe薄膜的预润湿方法为：首先，将e-ptfe薄膜浸于含体积比1:1的乙醇和水的烧杯中，超声处理5～15min；然后，将烧杯放入15～25℃真空烘箱内，真空静置5～15min，从而确保隔膜的完全润湿。

所述的耐热收缩的有机/无机复合型锂电隔膜的制备方法，所制备的复合型锂电隔膜在300℃下热收缩率小于5％。

本发明的设计思想是：

为了提升锂电隔膜的耐热收缩性能，本发明创造性地将膨体聚四氟乙烯薄膜应用于锂电隔膜中。通过多巴胺单体的氧化自聚，在膨体聚四氟乙烯薄膜结构表面修饰一层粘附性极强的聚多巴胺粘结层，进而在不影响隔膜原有孔道结构的基础上，原位粘附硅溶胶脱水缩合制成的纳米级氧化硅颗粒。利用氧化硅的亲液性，改善基膜的电解液亲和性。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明充分利用聚四氟乙烯材料的耐高温性能，提升锂电隔膜的耐热收缩性。

2、本发明利用聚多巴胺材料优异的粘附性能，在不影响基膜电池性能的前提下，原位粘附纳米级无机颗粒，提升膨体聚四氟乙烯基膜的电解液亲和性。

附图说明

图1为本发明所涉及的膨体聚四氟乙烯薄膜的扫描电镜图及宏观照片。

图2为本发明所制备的有机/无机复合型锂电隔膜的扫描电镜图及宏观照片。

图3为本发明所制备的有机/无机复合型锂电隔膜的耐热收缩测试照片。

具体实施方式

在具体实施过程中，本发明复合型锂电隔膜以具有微孔结构的膨体聚四氟乙烯薄膜为载体，以具有极强粘附性的聚多巴胺为粘结层，通过自组装的形式将纳米二氧化硅陶瓷颗粒原位粘附于整个膨体聚四氟乙烯薄膜结构中。所制隔膜厚度为10～30μm，孔隙率为45～65％，孔径为0.08～0.70μm。具有微孔结构的膨体聚四氟乙烯单向拉伸薄膜由具有结点和纤维的微观结构组成；聚多巴胺粘结层由多巴胺单体氧化聚合而成；纳米二氧化硅粒径为10～50nm，占复合型锂电隔膜重量的1.5～6.0wt.％，由含正硅酸乙酯、去离子水和氨水的乙醇溶液脱水缩合而制成。

以下为具体实施例详细介绍本发明，提供实施例是为了便于理解本发明，绝不是限制本发明。

实施例1

本实施例中，以具有微孔结构的膨体聚四氟乙烯(e-ptfe)单向拉伸薄膜为载体，薄膜由具有结点和纤维的微观结构组成，厚度为30μm，孔隙率为67％，孔径为0.82μm。首先，将隔膜浸于含体积比1:1的乙醇和水的烧杯中，超声处理10min；再将烧杯放入20℃真空烘箱内，真空静置10min，从而确保隔膜的完全润湿。然后，将隔膜浸入含多巴胺盐酸盐浓度为2gl^-1的共溶剂中10h，用以进行隔膜表面多巴胺单体的自聚反应，共溶剂为体积比1:1的乙醇和tris-hcl缓冲液(ph＝8.5)。反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在50℃真空烘箱中干燥至恒重。最后，将上述隔膜浸入含0.25moll^-1正硅酸乙酯(teos)、7.5moll^-1去离子水和0.1moll^-1氨水的乙醇溶液中进行硅溶胶脱水缩合反应。在20℃温度条件下，充分反应5h。反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在50℃真空烘箱中烘干得到所制隔膜。所制复合型锂电隔膜厚度为30μm，孔隙率为56％，孔径为0.65μm。其中，通过自组装形成的纳米二氧化硅的粒径为20nm，重量占整个隔膜的3.3wt.％。

如图1所示，膨体聚四氟乙烯基膜具有微孔结构，由具有结点和纤维的微观结构组成。

如图2所示，所制备隔膜孔道分布均匀，表面覆有sio2颗粒。

如图3所示，所制备隔膜在300℃下热收缩率仍小于5％。

实施例2

本实施例中，以具有微孔结构的膨体聚四氟乙烯(e-ptfe)单向拉伸薄膜为载体，薄膜由具有结点和纤维的微观结构组成，厚度为25μm，孔隙率为69％，孔径为0.60μm。首先，将隔膜浸于含体积比1:1的乙醇和水的烧杯中，超声处理10min；再将烧杯放入20℃真空烘箱内，真空静置10min，从而确保隔膜的完全润湿。然后，将隔膜浸入含多巴胺盐酸盐浓度为2gl^-1的共溶剂中8h，用以进行隔膜表面多巴胺单体的自聚反应，共溶剂为体积比1:1的乙醇和tris-hcl缓冲液(ph＝8.5)。反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在50℃真空烘箱中干燥至恒重。最后，将上述隔膜浸入含0.25moll^-1正硅酸乙酯(teos)、7.5moll^-1去离子水和0.1moll^-1氨水的乙醇溶液中进行硅溶胶脱水缩合反应。在20℃温度条件下，充分反应8h。反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在50℃真空烘箱中烘干得到所制隔膜。所制复合型锂电隔膜厚度为27μm，孔隙率为50％，孔径为0.45μm。其中，通过自组装形成的纳米二氧化硅的粒径为40nm，重量占整个隔膜的5.8wt.％。

实施例3

本实施例中，以具有微孔结构的膨体聚四氟乙烯(e-ptfe)单向拉伸薄膜为载体，薄膜由具有结点和纤维的微观结构组成，厚度为15μm，孔隙率为69％，孔径为0.40μm。首先，将隔膜浸于含体积比1:1的乙醇和水的烧杯中，超声处理10min；再将烧杯放入20℃真空烘箱内，真空静置10min，从而确保隔膜的完全润湿。然后，将隔膜浸入含多巴胺盐酸盐浓度为2gl^-1的共溶剂中6h，用以进行隔膜表面多巴胺单体的自聚反应，共溶剂为体积比1:1的乙醇和tris-hcl缓冲液(ph＝8.5)。反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在50℃真空烘箱中干燥至恒重。最后，将上述隔膜浸入含0.25moll^-1正硅酸乙酯(teos)、7.5moll^-1去离子水和0.1moll^-1氨水的乙醇溶液中进行硅溶胶脱水缩合反应。在20℃温度条件下，充分反应6h。反应结束后，用去离子水冲洗干净所制备的隔膜，并在50℃真空烘箱中烘干得到所制隔膜。所制复合型锂电隔膜厚度为16μm，孔隙率为60％，孔径为0.32μm。其中，通过自组装形成的纳米二氧化硅的粒径为35nm，重量占整个隔膜的6.0wt.％。

实施例结果表明，本发明所制隔膜，在300℃下，热收缩率小于5％。本发明制备工艺简单易行，拓宽了膨体聚四氟乙烯薄膜在锂电隔膜领域的应用。

上述具体实施方式是为了说明本发明的特点，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出得各种变化，也应视为本发明的保护范围。