一种改性湿法相转化电池隔膜及其制备方法

本发明属于电池，具体涉及一种改性湿法相转化电池隔膜及其制备方法。

背景技术：

1、以新能源为主体的新型电力系统与新能源汽车协同发展成为必然趋势，电池技术是新能源的核心技术之一。常见的电池主要由五部分组成，包括：阳极、隔膜、电解液、阴极以及集流体。其中，隔膜位于电池内部阴极和阳极之间，它是一种具有微孔结构的薄膜，其主要作用是分隔正负极，防止其直接接触造成短路，同时离子可穿过微孔形成充放电回路，保障电池正常工作。隔膜性能决定了电池的界面结构及内阻，直接影响电池的容量、循环稳定性及安全性。

2、目前，常见的金属离子电池如锂离子电池(libs)、钠离子电池(nibs)主要使用玻璃纤维(gf)、聚烯烃(聚乙烯/聚丙烯)作为电池隔膜。其中，玻璃纤维(gf)隔膜的制备工艺复杂，能耗大，成本高，且其表面光滑、脆性大，纤维之间结合力较低，导致玻璃纤维(gf)隔膜的物理强度低；其次，聚烯烃隔膜对电解液的亲和性差，热稳定性差，熔点低，电池连续工作时电池内部温度升高，聚烯烃隔膜极易收缩，从而导致电池发生热失控问题。

3、聚丁二酸乙二醇酯(pes)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚丙烯腈(pan)具有化学稳定性好、热稳定性好、亲液性好、耐燃性好、可加工性强等优势，非常适用于作为电池隔膜基体材料。目前，制备这一类聚合物薄膜的方法主要有静电纺丝法、湿法相转化法、熔融拉伸法、熔融纺丝法等。其中，湿法相转化(phase inversion)法又称为非溶剂致相转化法，它是通过特定的制膜工艺将聚合物溶液制备成为固态聚合物多孔膜的常用方法。这种固化过程通常是由一个均相液态转变成两个液态，即液液分相而引发的。单一的聚合物通过浸没沉淀致相转化制备的薄膜通常具有致密的皮质层，这不利于电池充放电过程中的离子迁移，因此其需要适当的手段改性才可以满足电池隔膜的要求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，使用聚合物和无机陶瓷颗粒同时作为致孔剂，改性相转化薄膜皮质层，使得皮质层具有多孔结构，提高皮质层的孔隙率，使其满足作为电池隔膜的要求。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1，将聚合物和无机纳米颗粒分别溶解和分散于溶剂体系中；聚合物包括聚合物隔膜基体材料、聚合物制孔剂，聚合物隔膜基体材料和聚合物制孔剂的质量比为7:3～9:1；无机纳米颗粒作为填料和制孔剂，无机纳米颗粒质量为聚合物总质量的1％～10％；

4、步骤2，将聚合物溶液浇铸在洁净的基底上，调整刮涂机至合适厚度，刮涂形成均匀的聚合物液膜；

5、步骤3，将聚合物液膜和基底一起放入凝固浴(非溶剂)中，溶剂与非溶剂通过液膜/凝固浴界面发生交换最终形成具有三维空间立体孔结构的聚合物多孔膜；

6、步骤4，对所制备的聚合物多孔膜干燥后得到改性湿法相转化电池隔膜。

7、步骤1中聚合物的浓度为10～15％，dmso、tfa和二氯甲烷dcm的混合物作为溶剂，h2o作为非溶剂；在70℃-75℃下回流搅拌溶解。

8、tfa和dcm的体积比为1:1。

9、无机纳米颗粒致孔剂为sio2、tio2、zro2或al2o3，无机纳米颗粒的粒径为50nm～1μm。

10、聚合物隔膜基体材料为pes、pet或pan；聚合物制孔剂为pva、peo、pvp、pei、peg或paa。

11、步骤2中，聚合物液膜厚度为20～300μm。

12、步骤4中，对聚合物多孔膜在60～85℃条件下烘干。

13、本发明还可以提供一种上述制备方法得到的改性湿法相转化电池隔膜。

14、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

15、1)制备工艺方面，制膜工艺简单可控，生产周期短，易于规模化量产；

16、2)膜孔结构方面，通过相转化法所制备的膜孔径可调，通过调节铸膜液的浓度、致孔剂的比例和种类，可对相转化聚合物膜的致密的皮质层进行改性，使得皮质层具有多孔结构，其次，相转化聚合物膜中丰富的指状孔结构可以存储大量的电解液，有利于提高电池的循环寿命；

17、3)膜热稳定性方面：通过此法制备的膜热稳定性和化学稳定性好，可有效防止部分金属离子电池中的热失控问题；

18、4)成本及环境效益方面，聚合物材料廉价易得，使用水作为非溶剂，环境友好。

19、进一步的，通过此法制备的聚丁二酸乙二醇酯(pes)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚丙烯腈(pan)膜热稳定性和化学稳定性较好。

技术特征：

1.一种改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤1中所述聚合物的浓度为10～15％，dmso、tfa和二氯甲烷dcm的混合物作为溶剂；h2o作为非溶剂；在70℃-75℃下回流搅拌溶解。

3.根据权利要求2所述的改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，其特征在于，tfa和dcm的体积比为1:1。

4.根据权利要求1所述的改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，其特征在于，无机纳米颗粒致孔剂为sio2、tio2、zro2或al2o3，无机纳米颗粒的粒径为50nm～1μm。

5.根据权利要求1所述的改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，其特征在于，聚合物隔膜基体材料为pes、pet或pan；聚合物制孔剂为pva、peo、pvp、pei、peg或paa。

6.根据权利要求1所述的改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤2中，聚合物液膜厚度为20～300μm。

7.根据权利要求1所述的改性湿法相转化电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤4中，对聚合物多孔膜在60～85℃条件下烘干。

8.一种改性湿法相转化电池隔膜，其特征在于，采用权利要求1-7所述制备方法得到。

技术总结
本发明涉及一种改性湿法相转化电池隔膜及其制备方法，属于电池隔膜制备技术领域，主要通过湿法相转化的方法制备了PAN@PVA@ZrO<subgt;2</subgt;、PES@PVP@Al<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;、PET@PVP@TiO<subgt;2</subgt;等一系列改性聚合物电池隔膜。通过该方法将有机聚合物和无机陶瓷制备成复合电池隔膜具有热稳定性好、化学稳定性好、隔膜孔径可调、蓄液量大、环境友好等优点。亲水型聚合物和亲水型无机纳米颗粒的加入可以有效改善相转化法皮质层致密的问题，提高聚合物隔膜的孔隙率和离子电导率，提升电池的循环稳定性。通过此方法制备的隔膜可广泛应用于包含锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(NIBs)在内金属离子电池中。

技术研发人员：杜显锋,蒙艺,熊礼龙,谢月洪,刘怡凡
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14