一種聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜的制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜，以及該纖維膜的制備方法及其在鋰離子電池中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池是在二次電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它既保持了鋰電池高電壓、高容量的主要優(yōu)點(diǎn)，又具有安全性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)的顯著特點(diǎn)，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、空間技術(shù)、國(guó)防工業(yè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，成為近幾年廣為關(guān)注的研究熱點(diǎn)。。
[0003]鋰離子電池由正負(fù)電極、電解質(zhì)和隔膜組成。作為鋰離子電池的核心組成部件，隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性，性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有重要的作用。
[0004]由于傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此在商業(yè)化的鋰離子電池中作為主要的隔膜應(yīng)用。然而由于聚烯烴隔膜具有機(jī)械性能差(橫向)，熱穩(wěn)定性差，孔隙率低，潤(rùn)濕性差等缺點(diǎn)，從而限制了高能量密度的鋰離子電池的發(fā)展。
[0005]靜電紡絲技術(shù)制備的纖維無(wú)紡布具有尺寸小、孔徑分布均勻、孔隙率高、有利于微粒子穿透等優(yōu)點(diǎn)，將其制成鋰電池隔膜，既能起到阻隔正負(fù)極，防止短路的目的，又能讓正負(fù)極之間的離子自由穿過(guò)，提高電池的循環(huán)性能，延長(zhǎng)電池使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種鋰離子電池隔膜的制備方法，該制備方法可使隔膜中纖維與纖維之間相互粘結(jié)，提高機(jī)械強(qiáng)度而不影響纖維膜的基本結(jié)構(gòu)，使鋰離子電池的性能得到提高。
[0007]本發(fā)明的聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜是由靜電紡絲法并進(jìn)一步熱壓制備得到的，所述的復(fù)合材料纖維膜是由聚合物材料與木質(zhì)素材料復(fù)合構(gòu)成；其中:聚合物材料在復(fù)合材料纖維膜中的質(zhì)量百分比含量為30-90%，木質(zhì)素材料在復(fù)合材料纖維膜中的質(zhì)量百分比含量為10-70%。
[0008]所述的復(fù)合材料纖維膜，其厚度為20-40 μ m，孔隙率為40-80 %，拉伸強(qiáng)度為20-60MPao
[0009]所述的聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜，其特征是:所述的聚合物材料選自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯睛(PAN)、聚氧化乙烯(PEO)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)共聚物中的任意一種或是其中任意兩種的共混物。
[0010]所述的有機(jī)溶劑選自N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺、丙酮、四氫吠喃中的任意一種或者任意二種的混合物。
[0011]本發(fā)明的聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜的制備方法包括以下步驟:
[0012]I)復(fù)合紡絲溶液的配制
[0013]將聚合物材料溶解于有機(jī)溶劑中，在溫度為40-60。°C下攪拌后得到聚合物溶液，其中，聚合物溶液中聚合物材料的質(zhì)量濃度為7-15% ;將木質(zhì)素材料在不斷攪拌下加入到上述聚合物溶液中，得到均勻溶液；
[0014]2)制備聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜
[0015]將步驟I)制備的復(fù)合紡絲溶液置于靜電紡絲設(shè)備的注液裝置中；將通過(guò)原料輸送管線(xiàn)與所述的注液裝置相連通的噴絲頭固定好，并將所述的噴絲頭與接收裝置之間的距離調(diào)節(jié)為10-25cm，在溫度為20-40°C下進(jìn)行共混紡絲；其中，共混紡絲溶液在注射栗的作用下以0.5-7ml/h的速度注入所述的噴絲頭中，在所述的噴絲頭與接地的所述的接收裝置之間施加15-30kV的直流高壓電場(chǎng)，共混紡絲溶液在電場(chǎng)力的作用下在所述的噴絲頭的尖端裂分并產(chǎn)生射流，在所述的接收裝置上得到復(fù)合纖維膜，干燥，熱壓，最終得到所述的復(fù)合纖維膜。
[0016]所述的聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜，其特征是:所述的聚合物材料選自聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯睛(PAN)、聚氧化乙烯(PEO)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)共聚物中的任意一種或是其中任意兩種的共混物。
[0017]所述的有機(jī)溶劑選自N，N- 二甲基甲酰胺、N，N- 二甲基乙酰胺、丙酮、四氫吠喃中的任意一種或者任意二種的混合物。
[0018]所述的靜電紡絲的設(shè)備是不銹鋼單噴絲頭的靜電紡絲裝置、不銹鋼多噴絲頭的靜電紡絲裝置或經(jīng)瑋雙向的不銹鋼多噴絲頭的靜電紡絲裝置；所述的靜電紡絲接收裝置為鋁箔、鐵板、鐵網(wǎng)、銅網(wǎng)、鐵滾筒、鋁滾筒和非織造材料中的一種或兩種以上。
[0019]所述的干燥步驟中的真空干燥箱溫度為50_120°C，干燥時(shí)間為12_63h。
[0020]所述的壓延步驟中的壓力為10_50MPa，熱壓溫度為50-200°C，壓力持續(xù)時(shí)間為0.0lh-1h0
[0021]一種鋰離子電池，包括:
[0022]正極，負(fù)極，電池隔膜和電池殼；
[0023]正極可以采用含有陰極活性物質(zhì)磷酸鐵鋰材料制成；
[0024]負(fù)極的活性物質(zhì)可以是石墨、硬碳、軟碳、鈦酸鋰、鈷酸鋰、鎳酸鋰、磷酸錳鋰或其組合或鋰片；
[0025]電解液中的鋰鹽可以是六氟磷酸鋰，四氟硼酸鋰、雙草酸硼酸鋰、草酸雙氟硼酸鋰、高氯酸鋰、六氟磷酸鈉，四氟硼酸鈉、雙草酸硼酸鈉、草酸雙氟硼酸鈉、高氯酸鈉、雙三氟甲烷磺酰亞胺四乙基銨鹽、雙三氟甲烷磺酰亞胺三乙基甲基銨鹽、雙三氟甲烷磺酰亞胺雙螺環(huán)季銨鹽、雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰；電解液中的非水溶劑可以是碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸丁烯酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯、碳酸甲丙酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、丙酸甲酯、丙酸丙酯或其組合；
[0026]所述隔膜為權(quán)利要求1中所述的隔膜。
[0027]本發(fā)明是采用靜電紡絲法并進(jìn)一步熱壓來(lái)制備聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料的纖維膜。靜電紡絲法得到的復(fù)合材料纖維膜厚度均勻，孔隙率高，將靜電紡絲得到的聚合物-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜熱壓，提高其機(jī)械強(qiáng)度，是一種性能優(yōu)異的鋰離子電池隔膜。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1是是實(shí)施例1中聚丙烯腈-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜的電子顯微鏡照片；
[0029]圖2是是實(shí)施例1中聚丙烯腈-木質(zhì)素復(fù)合材料纖維膜的電子顯微鏡照片；
[0030]圖3是上述兩種隔膜與Celgard 2400隔膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)；
[0031]圖4是上述兩種隔膜與Celgard 2400隔膜的鋰離子電池在不同電流密度下的倍率性能曲線(xiàn)；
[0032]圖5是上述兩種與Celgard 2400隔膜的鋰離子電池的循環(huán)性能曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。這些具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步敘述本發(fā)明，并不限制本發(fā)明申請(qǐng)的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
[0034]實(shí)施例1
[0035]I)復(fù)合紡絲溶液的配制
[0036]將0.72g聚丙烯腈溶解于5.28gN，N- 二甲基甲酰胺中，在溫度為50°C下攪拌24h后得到均勻的A溶液，其中，A溶液中的聚丙烯腈的質(zhì)量濃度為12% ;將0.0Sg木質(zhì)素在不斷攪拌下加入到上述A溶液中，持續(xù)攪拌至溶液均勻，得到復(fù)合紡絲溶液；復(fù)合紡絲溶液中木質(zhì)素的質(zhì)量為聚丙烯腈和木質(zhì)素總質(zhì)量的10%。
[0037]2)制備聚合物-木質(zhì)素