一种高性能锂电池隔膜的制备方法与流程

本发明属于高分子材料技术领域，尤其是涉及一种高性能锂电池隔膜的制备及其原料制备方法。

背景技术：

随着科学技术突飞猛进的发展，锂电池作为绿色环保型无污染的二次电池，符合当今各国能源环保方面大的发展需求，在各行各业的使用量正在迅速增加。而锂离子电池隔膜作为一种具有纳米级微孔的高分子功能材料，随着锂离子电池的广泛使用而走进人们的生活。

对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。目前对于聚乙烯锂电池隔膜的制备方法主要分为两类：

第一类为干法工艺，包括中国专利cn103085211a、中国专利cn103012907a、中国专利cn200580029264.9、中国专利cn201380056951.4等公开的制备方法，该方法的加工手段未使用溶剂对聚乙烯溶解，因此大幅降低了工艺的复杂程度及生产成本，但同时出现了较多问题。cn103085211a的方法使用压片技术生产锂电池隔膜，该方法生产效率低，且为间歇操作，较难实现工业化。而中国专利cn103012907a、中国专利cn200580029264.9、中国专利cn201380056951.4等公开的方法均为聚乙烯共混后挤出成型后进行拉伸成膜，该类方法所得的制品普遍存在力学性能差的现象，所得制品孔径较大，抗刺穿性能较差，难以与湿法工艺得到的制品相比。

第二类为湿法工艺，主要以中国专利cn201180014660.x、中国专利cn201280034937.x、中国专利cn201210105083、世界专利wo006/106783等为代表，此类方法能够得到孔隙率大，孔径小，力学性能较优的锂电池隔膜，但由于需要使用大量溶剂作为加工助剂，因此大幅增加生产成本，且在脱溶剂及处理废溶剂时，存在较大安全环保隐患，需要被进一步改进。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的聚乙烯锂电池隔膜生产工艺的安全性、环保性及成本问题与产品质量问题间的矛盾，针对此矛盾提供一种高性能锂电池隔膜的制备方法，可兼顾产品质量佳、安全环保及成本低等优势。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高性能锂电池隔膜的制备方法，该方法采用以下步骤：

将聚乙烯在聚合过程中与笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料进行复合或反应，聚合得到重均分子量为20万～60万的复合聚乙烯；

复合聚乙烯经过螺杆挤出机挤出聚乙烯薄片；

将聚乙烯薄片在高温下进行双向/单向拉伸成孔、成膜；

对双向/单向拉伸后的聚乙烯薄膜进行高温热定型后，分切收卷。

复合聚乙烯在21.6kg下，熔融指数为0.1g/10min～0.5g/10min，密度为0.930g/cm³～0.960g/cm³。

所述笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料为具有烷基、羟基、卤素基团、碳碳双键其中的一种或几种基团的有机无机杂化材料，通过将笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料作为催化剂载体的修饰、作为共聚单体及作为共混物等方式在聚合过程中与聚乙烯进行复合。

进一步的，所述笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料为该材料为具有烷基、羟基、卤素基团、碳碳双键其中的一种或几种基团的有机无机杂化材料。

更进一步的，上述基团中，所述烷基，其主链碳原子数量大于四个，优选大于六个。所述羟基、卤素基团、碳碳双键在同一poss分子中有且仅有一种基团，优选分布于烷基基团末端。

所述笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料的添加量占聚乙烯总质量的0.1‰～30‰，添加量太少起不到应有效果，太多影响聚乙烯制品性能同时成本太高。

所述笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料的添加量优选占聚乙烯总质量的5‰～20‰。

挤出过程无需添加助剂，挤出段温度为145℃～200℃，优选150℃～180℃，熔体泵至机头温度为145℃～220℃，优选150℃～190℃。

熔体挤出后，进行热牵伸，牵伸速度为挤出速度的3～40倍，牵伸过程进行自然冷却、空气冷却或水冷中的任意形式进行冷却。

拉伸时控制拉伸温度为60℃～130℃，优选80℃～110℃，拉伸总倍率可按孔径要求调整为5-20倍。

高温热定型时控制温度为100℃～125℃，热定型时间为5～10min。

本发明是一种高性能锂电池隔膜的制备方法，乙烯在聚合过程中与笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料及无机纳米材料进行复合或反应，聚合得到重均分子量为20万～60万的复合聚乙烯。

目前对聚乙烯锂电池隔膜进行干法工艺制备时添加的成孔剂一般为纳米材料，纳米材料在聚乙烯中存在几大问题：

(1)比表面积较大，导致表面能大，在聚乙烯中极易团聚；

(2)纳米颗粒一般为无机物，与聚乙烯不相容；

(3)部分纳米材料存在导电特性，无法作为锂电池隔膜原料添加剂。

基于以上问题，纳米材料在聚乙烯中容易团聚，是导致成孔率低，孔径大的主要原因，也是降低锂电池隔膜力学性能的关键问题。

而申请发现poss材料作为一种有机无机杂化物，与聚乙烯具有极好的相容性，其结构如图1所示，其中-r为有机基团，当poss材料表面基团仅含烷基时，本专利作者惊奇地发现poss可以与聚乙烯出现互溶的现象，将poss材料中的si-o键部分分散于聚乙烯分子链间。这种均匀的分散性，大幅帮助poss材料在锂电池隔膜制品双向/单向拉伸过程中产生均匀空隙，借助poss材料结构与聚乙烯结构的差异均匀成孔。

本申请除了通过将仅含烷基的poss材料于聚合阶段添加外，甚至将带羟基及卤素基团的poss材料与催化剂载体进行反应，直接使用poss材料与催化剂载体部分连接后进行聚合，通过催化聚合，能帮助poss材料按一定密度均匀分散于聚乙烯中，从聚乙烯原料源头控制锂电池隔膜制品的成孔密度。

同时，本申请尝试了将带有双键的poss材料作为共聚单体，直接共聚在聚乙烯分子链上，以支链的形式均匀分散于聚乙烯中，在增加锂电池隔膜韧性及加工性同时为均匀的成孔带来帮助，该方法同样可以通过调控带双键poss材料的含量控制锂电池隔膜的成孔密度。

本发明通过在聚合阶段添加合适的poss材料作为成孔助剂，合成合理的分子量分布及分子量范围的聚乙烯原料，得到可通过螺杆挤出机直接熔融挤出的锂电池隔膜制品。基于以上基本原理，在高性能锂电池隔膜制备方法中体现优势如下：

1)锂电池隔膜过程中不需要使用溶剂，大幅简化高性能锂电池隔膜制备流程。

2)大幅降低由于处理溶剂及回收溶剂导致的生产成本。

3)生产过程中处于无溶剂状态，大幅提升了生产过程中的安全系数。

4)生产过程中无危废产生，使高强高模聚乙烯薄膜生产过程更环保。

5)所得锂电池隔膜制品较传统干法工艺所得制品具有孔隙率可控、孔隙均匀、孔径小等特点，从而力学性能大幅提升。

6)使用本专利干法工艺制得的高性能锂电池隔膜可替代目前湿法工艺制备得到的锂电池隔膜。

附图说明

图1为笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料的分子结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

一种高性能锂电池隔膜的制备方法，该方法主要采用以下步骤：

(1)将聚乙烯在聚合过程中与笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料进行复合或反应，聚合得到重均分子量为20万～60万的复合聚乙烯，在21.6kg下，熔融指数为0.1g/10min～0.5g/10min，密度为0.930g/cm³～0.960g/cm³，使用的笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料为具有烷基、羟基、卤素基团、碳碳双键其中的一种或几种基团的有机无机杂化材料，通过将笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料作为催化剂载体的修饰、作为共聚单体及作为共混物等方式在聚合过程中与聚乙烯进行复合，添加量占聚乙烯总质量的0.1‰～30‰；

(2)复合聚乙烯经过螺杆挤出机挤出聚乙烯薄片，挤出过程无需添加助剂，挤出段温度为145℃～200℃，熔体泵至机头温度为145℃～220℃，熔体挤出后，进行热牵伸，牵伸速度为挤出速度的3～40倍，牵伸过程进行自然冷却、空气冷却或水冷中的任意形式进行冷却；

(3)将聚乙烯薄片在高温下进行双向/单向拉伸成孔、成膜，拉伸时控制拉伸温度为60℃～130℃，拉伸总倍率可按孔径要求调整为5-20倍；

(4)对双向/单向拉伸后的聚乙烯薄膜进行在100℃～125℃下高温热定型5～10min，分切收卷。

以下是更加详细的实施案例，通过以下实施案例进一步说明本发明的技术方案以及所能够获得的技术效果。

实施例中聚乙烯原料的表征数据由以下方法获得：

密度：根据astmd1505-68，使用梯度密度管测试方法测定。

薄膜厚度：根据astmd374m-13《standardtestmethodsforthicknessofsolidelectricalinsulation》方法测定。

孔隙率：根据gb/t21650.2-2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度第2部分：气体吸附法分析介孔和大孔》方法测定。

穿刺强度：根据astmf1306-90《standardtestmethodforslowratepenetrationresistanceofflexiblebarrierfilmsandlaminates》方法测定。

拉伸强度：根据gb/t1040.3-2006《塑料拉伸性能的测试》方法测定。

实施例1

取图1中8个-r均为6c烷基的poss材料作为添加剂，添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的3％，，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.1g/10min，密度为0.940g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为85万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为145℃～220℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为3倍。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为6倍，热拉伸温度为130℃。

将双向拉伸后的薄膜通过100℃高温下热定型10min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为30μm，孔隙率为32％，孔径为1.8μm，抗穿刺强度为225g/mil，拉伸强度为351mpa。

实施例2

取图1中7个-r为6c烷基，1个-r为-c-c-c-c-c-cl的poss材料作为助催化剂负载物的修饰材料，首先进行表面处理去除杂质后与负载物进行接枝反应，之后再将催化剂的活性组分负载至载体上，制得聚乙烯催化剂。

将己烷溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后，加入修饰过载体的聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应1小时后出料，干燥。活性约为2000gpe/gcat得到2.16kg压力下，熔融指数为0.3g/10min，密度为0.950g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为70万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为145℃～220℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为5倍。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为4倍，热拉伸温度为125℃。

将双向拉伸后的薄膜通过105℃高温下热定型10min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为25μm，孔隙率为52％，孔径为1μm，抗穿刺强度为299g/mil，拉伸强度为392mpa。

实施例3

取图1中7个-r为6c烷基、1个-r为-c-c-c-c-c＝c的poss材料作为乙烯聚合时的共聚单体，在聚合过程中与催化剂直接反应，共聚在聚乙烯分子链上。将该poss材料添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的3％，，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.4g/10min，密度为0.930g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为60万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为145℃～220℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为40倍。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为2倍，热拉伸温度为60℃。

将双向拉伸后的薄膜通过125℃高温下热定型5min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为10μm，孔隙率为63％，孔径为0.8μm，抗穿刺强度为320g/mil，拉伸强度为421mpa。

实施例4

取图1中8个-r均为8c烷基的poss材料作为添加剂，添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的3％，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.5g/10min，密度为0.960g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为50万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为145℃～220℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为15倍。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为6倍，热拉伸温度为80℃。

将双向拉伸后的薄膜通过100℃高温下热定型10min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为8μm，孔隙率为44％，孔径为1.7μm，抗穿刺强度为231g/mil，拉伸强度为398mpa。

实施例5

取图1中2个-r为环烷基，4个-r为8c烷基，1个-r为-c-c-c-c-c＝c的poss材料作为共聚单体，在乙烯聚合过程中与催化剂直接反应，共聚在聚乙烯分子链上。将该poss材料添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的2％，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.5g/10min，密度为0.930g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为50万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为145℃～220℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为3倍。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为10倍，热拉伸温度为100℃。

将双向拉伸后的薄膜通过105℃高温下热定型10min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为5μm，孔隙率为61％，孔径为1μm，抗穿刺强度为304g/mil，拉伸强度为450mpa。

实施例6(多基团在一起不稳定，权利要求5希望表达的意思有些问题，已修正)

取如图1的笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料，4个-r为八碳环烷基，3个-r为6c烷基，1个-r为-c-c-c-c-c＝c的poss材料作为共聚单体，在乙烯聚合过程中与催化剂直接反应，共聚在聚乙烯分子链上。将该poss材料添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的0.1‰，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.1g/10min，密度为0.930g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为20万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为145℃～220℃，熔体泵至机头温度为145℃～220℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为10倍，牵伸过程进行自然冷却。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为5倍，热拉伸温度为80℃。

将双向拉伸后的薄膜通过105℃高温下热定型10min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为12μm，孔隙率为51％，孔径为1μm，抗穿刺强度为304g/mil，拉伸强度为430mpa。

实施例7

取如图1的笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料，1个-r为含卤素基团的环烷基，5个-r为8c烷基，1个-r为6c烷基，1个-r为-c-c-c-c-c＝c的poss材料作为共聚单体，在乙烯聚合过程中与催化剂直接反应，共聚在聚乙烯分子链上。将该poss材料添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的5‰，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.2g/10min，密度为0.940g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为30万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为150℃～180℃，熔体泵至机头温度为150℃～180℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为3倍，牵伸过程进行空气冷却。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为10倍，热拉伸温度为60℃。

将双向拉伸后的薄膜通过100℃高温下热定型9min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为20μm，孔隙率为50％，孔径为1μm，抗穿刺强度为301g/mil，拉伸强度为410mpa。

实施例8

取如图1的笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料，5个-r为主链含12个c的烷基，其中每个烷基存在2个5c支链，2个-r为6c环烷基，1个-r为-c-c-c-c-c＝c的poss材料作为共聚单体，在乙烯聚合过程中与催化剂直接反应，共聚在聚乙烯分子链上。将该poss材料添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的20‰，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.5g/10min，密度为0.920g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为50万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为160℃～180℃，熔体泵至机头温度为150℃～190℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为30倍，牵伸过程进行水冷。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为20倍，热拉伸温度为110℃。

将双向拉伸后的薄膜通过125℃高温下热定型5min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为2μm，孔隙率为61％，孔径为2μm，抗穿刺强度为324g/mil，拉伸强度为461mpa。

实施例9

取如图1的笼型聚倍半硅氧烷(poss)材料，1个-r为含卤素基团的环烷基，7个-r为7c烷基，的poss材料作为共聚单体，在乙烯聚合过程中与催化剂直接反应，共聚在聚乙烯分子链上。将该poss材料添加至己烷溶剂中，添加量为催化剂所能生产聚乙烯产品质量的30‰，将溶剂加入反应釜中置换釜内环境为氮气后加入聚乙烯催化剂及助催化剂，在80℃下反应3小时后出料，干燥。得到2.16kg压力下，熔融指数为0.5g/10min，密度为0.960g/cm³的聚乙烯原料，其粘均分子量为60万。

将干燥后的聚乙烯原料直接加入螺杆挤出机，进行薄片挤出。螺杆挤出机挤出段到机头温度为155℃～200℃，熔体泵至机头温度为160℃～220℃，挤出的片材进行牵引拉伸，倍率为40倍，牵伸过程进行自然冷却。将牵引后的薄片进行双向拉伸，纵向及横向倍率均为20倍，热拉伸温度为130℃。

将双向拉伸后的薄膜通过100℃高温下热定型10min后，进行收卷得到锂电池隔膜制品。

所得制品厚度为1.5μm，孔隙率为58％，孔径为1.5μm，抗穿刺强度为294g/mil，拉伸强度为458mpa。

对比例1

取超高分子量聚乙烯与经硅烷偶联剂处理的多孔性无机物在高速混合机中进行高速混合，将混合后的原料在190℃，4mpa下进行压制烧结3小时，将烧结后的膜片，所得膜片厚度为100μm，孔隙率为10％，孔径为0.2～20μm，抗穿刺强度为60g/mil，拉伸强度为20mpa。

对比例2

将25重量份的聚乙烯材料同75重量份的液体石蜡混合,其中聚乙烯材料的配比为每100重量份的聚乙烯材料,含9重量份的分子量为7×10⁶的超高分子量聚乙烯树脂,70重量份的分子量为1×10⁶的超高分子量聚乙烯树脂和21重量份分子量为7×10⁵的高密度聚乙烯树脂。经过双螺杆挤出机挤出、通过模具流涎成0.4mm厚膜坯。经预抽提，拉伸、抽提稀释剂、定形、退火制备5μm厚锂电池隔膜。所得隔膜孔隙率为36％，孔径1.8μm，拉伸强度347.4mpa，抗穿刺强度为181g/mil。

由上表可知，本方法通过对使用有机无机杂化材料作为成孔剂，以不同方式在原料聚合过程中添加，所得的锂电池隔膜产品孔隙率及孔径大小可控，制品力学性能优良，且工艺流程简单、环保、安全，在工艺复杂程度、成本、及制品性能均远优于对比例中的制备方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。