一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜及制备方法，利用具有优异成膜效果和力学性能的芳纶纳米纤维与无机纳米三氧化二铝、二氧化硅进行结合制备ANFs/Al

【技术实现步骤摘要】
一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜及制备方法
本专利技术涉及一种电池隔膜，具体涉及一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜及制备方法。
技术介绍
隔膜作为电池的四大组成成分之一，其主要作用是直接隔开电池正负极以阻止电池短路，保证电池内部正负极间离子自由传输的同时，并直接隔开电池正负极以防止电池短路。电池隔膜虽然是惰性材料，不直接参与到电池的电化学反应中，对电池的能量储存及输出没有直接的影响，但是其物理性能的好坏可极大地影响电池的安全性及电学性能同时保证电池内部离子的自由移动。目前，广泛使用的微孔聚烯烃类隔膜(PE、PP、PP/PE)，虽然具有优异的化学稳定性、制备工艺简单、成本低、孔径大小分布均匀，但这一类隔膜的耐热性能极差，易发生受热收缩、熔化，进而引起电池短路，引发火灾爆炸等事故；且该类隔膜对电解液的亲和性差，电解液需要较长的时间才能浸润隔膜，这也极大地增加了电池的组装成本。现有的商用聚烯烃电池隔膜的制备过程主要是将无机纳米粒子通过胶粘剂粘结在隔膜表面，得到增强的聚烯烃复合隔膜。(1)专利技术专利CN111883721A提出的一种将无机纳米聚合物、聚烯烃基材、增塑剂、抗氧剂通过双螺杆挤出机高温下共挤出得到铸片后经双向拉伸后热定型后得到无机纳米聚合物改性聚烯烃锂电池隔膜，但该方法工艺复杂，所用组分繁多，影响隔膜锂离子传输速度等情况；(2)专利技术专利CN111725468A提出的一种将聚烯烃隔膜通过不同浓度的小分子锂盐/乙醇溶液浸润,再将二氧化硅无机纳米粒子/粘结剂混合溶液涂覆到经过浸润的聚烯烃隔膜表面,制备二氧化硅无机纳米粒子增强聚烯烃隔膜，但该方法制备得到的聚烯烃隔膜力学性能较差，使用过程中无机纳米粒子容易脱落；(3)专利技术专利CN111244361A提出的一种在聚烯烃隔膜的表面设有有序介孔二氧化硅涂层改性聚烯烃隔膜及其制备方法和应用，但该复合隔膜制备工艺复杂，胶黏剂、增稠剂使用对隔膜性能影响较大。对位芳纶纤维因其具有高强度、高模量、高韧性、耐高温和比重轻的特性，具有良好的抗冲击性、化学稳定性、阻燃性和绝缘性，是航空航天、国防、电子通讯、石油化工等高端领域的重要原材料，广泛用于个体防护、防弹装甲、橡胶制品、摩擦材料、绝缘纸、等高端领域。对位芳纶纳米纤维(AramidNanofibers,ANFs)作为近年来开发的一种新型纳米高分子纤维材料，既保留了常规宏观对位芳纶纤维优异的力学性能与热稳定性；同时，由于其独特的纳米尺度结构、大的长径比和比表面积，为其带来宏观芳纶纤维无法实现的复合增强效果，已成为构建高性能复合材料极具应用潜力的“增强构筑单元”之一，起着重要的界面增强与材料增韧作用。在纳米复合材料增强领域，可显著改善传统宏观芳纶纤维由于表面光滑、活性基团少、化学惰性强等缺陷所导致芳纶纤维与树脂等基体界面结合力差、材料强度低等问题。利用ANFs作为复合材料的增强材料，由于其表面更多的活性官能团、更大的比表面积、在基体中更加均匀的分布状态，可以显著地协同增强树脂基复合材料的强度、模量与韧性，使其成为了一种极具应用潜力的可实现协同增强聚合物综合性能的新型纳米材料。同时，ANFs之间通过氢键结合形成的网络交织结构具有优异的成膜效果，成膜具有高强、耐高温、透明且柔韧性好等优点，在电气绝缘、电池隔膜、吸附过滤、柔性电极、结构减重、生物组织等领域都显示出一定的应用潜能和发展前景。ANFs在复合材料增强领域的应用研究已成为国内外高分子纳米纤维领域的研究热点与发展趋势之一。三氧化二铝(Al2O3)为一种白色无定型粉末状高硬度的无机材料，熔点2054℃，二氧化硅(SiO2)为一种无定形白色粉末纳米颗粒，粒子尺寸在1～100nm，两者具有优异的耐高温性能和化学稳定性，将其应用于聚烯烃隔膜改性可显著提高复合隔膜离子电导率和耐温性能，但其在分散液中难以分散均匀，极易发生团聚现象。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜及制备方法，以克服现有技术存在的缺点，本专利技术将对位芳纶纳米纤维优异的成膜性、耐热稳定性与无机三氧化铝或二氧化硅纳米颗粒进行结合研发生产出具有良好亲液性、优异耐高温性能、高离子电导率，电化学性能优异的对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强的聚烯烃电池隔膜。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将对位芳纶纤维、DMSO、KOH和去离子水混合搅拌，制备对位芳纶纳米纤维溶液，其中对位芳纶纤维与KOH的质量比为1:1.5，DMSO与去离子水的体积比为25:1，且每100mLDMSO中加入1g对位芳纶纤维(对位芳纶纳米纤维溶液浓度为1％)；步骤二：向对位芳纶纳米纤维溶液中加入无机纳米粒子，然后进行超声分散和充分搅拌，得到分散均一的对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子分散液；步骤三：将对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子分散液用涂布棒和旋涂机均匀涂覆在商用聚烯烃隔膜表面，将涂布后的隔膜在水溶液中进行质子化还原，得到对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子增强的聚烯烃隔膜；步骤四：将对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子增强的聚烯烃隔膜干燥得到对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜。进一步地，步骤一中搅拌速度为800～1500rpm，搅拌温度为室温，搅拌时间为4-6小时。进一步地，步骤一中对位芳纶纳米纤维的直径为8～15nm、长度为3～10μm。进一步地，步骤二中无机纳米粒子为亲水性三氧化二铝或亲水性二氧化硅，所述亲水性三氧化二铝的粒径为20～40nm，亲水性二氧化硅的粒径为15～40nm，所述无机纳米粒子用量为对位芳纶纤维质量的1％～10％。进一步地，步骤二中超声功率为500～1500W，超声时间为30～60min。进一步地，步骤三中商用聚烯烃隔膜采用商用聚烯烃单层隔膜Celgard2500或复合隔膜Celgard2325，所述商用聚烯烃单层隔膜Celgard2500或复合隔膜Celgard2325的厚度均为25μm。进一步地，步骤三中质子化还原时间为3～5小时。进一步地，步骤三中涂覆的厚度为3～10μm，当采用涂布棒时，涂布棒长度120mm，涂布棒凹槽深度40μm；当采用旋涂机时，旋涂的转速为1000～1500rpm，旋涂时间60～90s。进一步地，步骤四中干燥温度105℃，干燥时间10min。一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜，采用上述的一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜的制备方法制得。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术以对位芳纶纳米纤维和无机三氧化二铝、二氧化硅为体系制备分散液，以商用单层Celgard2500和三层聚烯烃隔膜Celgard2325为基底，充分发挥对位芳纶纳米纤维优异成膜效果以及热性能优异的特点，并与三氧化二铝、二氧化硅进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：将对位芳纶纤维、DMSO、KOH和去离子水混合搅拌，制备对位芳纶纳米纤维溶液，其中对位芳纶纤维与KOH的质量比为1:1.5，DMSO与去离子水的体积比为25:1，且每100mL DMSO中加入1g对位芳纶纤维；/n步骤二：向对位芳纶纳米纤维溶液中加入无机纳米粒子，然后进行超声分散和充分搅拌，得到分散均一的对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子分散液；/n步骤三：将对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子分散液用涂布棒和旋涂机均匀涂覆在商用聚烯烃隔膜表面，将涂布后的隔膜在水溶液中进行质子化还原，得到对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子增强的聚烯烃隔膜；/n步骤四：将对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子增强的聚烯烃隔膜干燥得到对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将对位芳纶纤维、DMSO、KOH和去离子水混合搅拌，制备对位芳纶纳米纤维溶液，其中对位芳纶纤维与KOH的质量比为1:1.5，DMSO与去离子水的体积比为25:1，且每100mLDMSO中加入1g对位芳纶纤维；
步骤二：向对位芳纶纳米纤维溶液中加入无机纳米粒子，然后进行超声分散和充分搅拌，得到分散均一的对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子分散液；
步骤三：将对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子分散液用涂布棒和旋涂机均匀涂覆在商用聚烯烃隔膜表面，将涂布后的隔膜在水溶液中进行质子化还原，得到对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子增强的聚烯烃隔膜；
步骤四：将对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子增强的聚烯烃隔膜干燥得到对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜。


2.根据权利要求1所述的一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤一中搅拌速度为800～1500rpm，搅拌温度为室温，搅拌时间为4-6小时。


3.根据权利要求1所述的一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤一中对位芳纶纳米纤维的直径为8～15nm、长度为3～10μm。


4.根据权利要求1所述的一种对位芳纶纳米纤维/无机纳米粒子复合涂层增强聚烯烃电池隔膜的制备方法，其特征在于，步骤二中无机纳米粒子为亲水性三氧化二铝或亲水性二氧化硅，所述亲水性三氧化二铝的粒径为20～40nm，亲水性二氧化硅的粒径为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张美云，李卫卫，杨斌，谭蕉君，宋顺喜，王琳，丁雪瑶，聂景怡，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61