[發明專利]PI?Si3N4?PTFE三元納米復合多曲孔膜材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510577698.8
• 申請日: 2015-09-11
• 公開（公告）號: CN105206782B
• 公開（公告）日: 2017-04-05
• 發明（設計）人: 侯豪情;熊天柔;周剛勇;馮艷;朱麗;周松智;徐海波
• 申請（專利權）人: 江西師范大學
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M2/14;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京兆君聯合知識產權代理事務所(普通合伙)11333
• 代理人: 劉俊玲

技術領域

本發明屬于電池隔膜領域，涉及一種多曲孔膜材料，具體涉及一種有機/無機三元納米復合材料，及其制備方法和作為電池隔膜的應用。

背景技術

鋰離子電池作為新能源汽車的動力電池得到了迅速發展，將成為人類不可缺少的生活用品。但由于目前使用的鋰電池隔膜屬于耐溫性能較差的聚烯烴類多孔膜材料，在較高溫度下，或在電池過充過放及機械損傷的情況下，鋰離子電池容易出現冒煙、著火、甚至爆炸等危及使用者安全的隱患。因此，提高鋰離子電池的安全性是推廣鋰離子電池在汽車動力等領域應用的關鍵。

針對鋰電池的使用安全性，人們利用PI材料的高耐熱性，開發了一種高孔隙率的電紡PI納米纖維電池隔膜。這種高孔隙率PI納米纖維隔膜在300℃高溫下不收縮，并具有耐過充過放、高倍率性能和高循環性能等特點，使鋰離子電池的電化學性能得到了大幅度提高。然而，由于這種電紡納米纖維隔膜是一種由纖維堆積的非織造布，具有過高的孔隙率和過大的表面孔徑，導致電池的荷電保持率較低，常出現微短路現象，尤其是當電池隔膜厚度較低時，如低于30微米，這種情況出現的幾率相當高。因此，非常有必要創造一種新的具有較低孔隙率和較小表面孔徑的耐高溫高安全鋰離子電池隔膜。

發明內容

本發明的目的之一在于：提供一種具有較低孔隙率和較小表面孔徑的耐溫、高硬度、高安全的多曲孔膜材料。

本發明的目的之二在于：提供制備所述的多曲孔膜材料的方法。

本發明的目的之三在于：提供所述的多曲孔膜材料在電池隔膜中的應用。

本發明的上述目的是通過以下技術方案實現的：

首先，提供一種納米復合多曲孔膜材料，它以聚酰亞胺(PI)納米纖維非織造布為基材，基材孔隙中填充有復合納米顆粒；所述的復合納米顆粒由聚四氟乙烯納米微球(PTFE-NP)和氮化硅納米顆粒(Si₃N₄-NP)以(7-12)/(8-13)的重量比混合構成。

本發明優選的納米復合多曲孔膜材料中，所述的復合納米顆粒由PTFE-NP和Si₃N₄-NP以(30-42)/(38-50)的重量比混合構成；最優選的所述PTFE-NP和Si₃N₄-NP的重量比包括42/38、30/50或36/44。

本發明優選的納米復合多曲孔膜材料中，所述的PTFE-NP的直徑優選在80-300nm之間；Si₃N₄-NP的直徑優選在50-800nm之間。

所述的PTFE-NP和Si₃N₄-NP共占所述的納米復合多曲孔膜材料總重量的比例優選在30-60％之間。

本發明優選的納米復合多曲孔膜材料的厚度在10-40μm之間。

本發明優選的納米復合多曲孔膜材料通過用含有(7-12)/(8-13)的重量比的PTFE-NP和Si₃N₄-NP的水基混合懸浮液涂布或浸漬PI納米纖維非織造布，使懸浮液滲透填滿PI納米纖維非織造布的孔隙，再經100-200℃高溫烘干制得。

所述的水基混合懸浮液優選進一步含有占懸浮液總重量1.0％～2.5％的粘合劑和占懸浮液總重量0.05％～0.15％的分散劑。

所述的粘合劑優選聚丙烯酸酯，更優選丙烯酸丁酯-丙烯酸異辛酯共聚物。

所述的分散劑優選聚丙烯酸銨。

所述的含有水基混合懸浮液優選的絕對粘度為20～30mPa·S。

在此基礎上，本發明還提供一種制備所述的納米復合多曲孔膜材料的方法，是以低粘度PTFE-NP和Si₃N₄-NP水基混合懸浮液和PI納米纖維非織造布為原材料，通過表面涂敷滲透或浸漬涂敷滲透的方法，將PTFE-NP和Si₃N₄-NP填進PI納米纖維非織造布的孔隙中，在較低溫度烘干后，升溫至較高溫度使粘合劑在PTFE-NP和Si₃N₄-NP間及納米微球和納米顆粒與PI納米纖維間進行粘合。

本發明優選的制備所述的納米復合多曲孔膜材料的方法，具體包括以下步驟：

1)配制水基混合懸浮液：