一种薄膜材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种薄膜材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的薄膜材料由纳米级纤维丝交织形成，所述纳米级纤维丝上分布有珠状结构，所述薄膜材料的制备原料包括聚偏氟乙烯、改性海泡石和溶剂。薄膜材料由纳米级纤维丝交织形成，纳米级纤维丝上分布有珠状结构，一方面，有效提高了薄膜材料的比表面积和孔隙率，从而薄膜材料的性能更优；另一方面，薄膜材料具有出色的耐热稳定性和尺寸稳定性。最终，薄膜材料具有优良的综合性能。本发明专利技术还提供了薄膜材料的制备方法和应用。的制备方法和应用。的制备方法和应用。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于薄膜材料制备
，具体涉及一种薄膜材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电池隔膜是锂离子电池的重要组成部分，其主要作用是：(1)隔离电池的正、负极，使电池内部的电子不能自由穿过，防止短路；(2)允许电解液中的锂离子通过隔膜的微孔道，在正负极间自由传输，保证电池的电化学反应有序可逆地进行。电池隔膜的结构与性能直接影响到电池的容量、循环性能以及安全性能。
[0003]随着大规模储能和高性能电动汽车需求的不断增长，能量密度和功率密度被认为是先进锂电池的重要组成部分。纳米结构电池隔膜具有高表面体积比、高孔隙率和短离子扩散距离等优点，能够使离子传输效率、电池容量以及能量密度得到提高。目前比较常用的纳米结构电池隔膜制备方法有熔喷法、湿法、真空过滤法以及静电纺丝法。
[0004]熔喷法中，高温和气流速度会导致纤维不稳定，导致颗粒在纤维网中分散。湿法要求聚合物前驱体首先在液体悬浮液中形成纤维，然后在基体纤维中加入粘结剂，通过热处理和加压的方法进行粘结，但是最终形成的纤维结构和性能主要受前驱体悬浮液中聚合物种类和组成的限制。真空过滤法制备纳米纤维膜还需要制备含聚合物纤维前体的悬浮液，在真空过滤的帮助下，使纤维网形成在滤纸上。由于在较大的表面上难以获得均匀的真空力，因此限制了真空过滤法生产的膜的尺寸。静电纺丝法能够快速、高效的制备纳米纤维，并且能够控制纤维结构尺寸，操作也十分简单，容易上手，是目前兴起的一种优良的纳米纤维制备方法。
[0005]目前，市场上普遍通用的商业隔膜为聚烯烃隔膜，然而聚烯烃隔膜有孔隙率低、电解液润湿性差以及高温下易产生严重尺寸收缩等缺点，难以满足高性能动力锂电池的需求。近年来兴起的静电纺丝技术制备的无纺布纤维膜由于具有较高的孔隙率、较大的比表面积和优良的电化学性能，已经引起了研究人员的广泛关注。
[0006]聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride，简称PVDF)是常用来制备隔膜材料的流行衬底。与聚烯烃和其他材料相比，PVDF的相对介电常数高达8.3，可以减弱离子对之间的相互作用。它更有利于锂的解离。此外，聚烯烃隔膜材料的结晶度高，且极性小，而电解液属于极性高的有机溶剂，因此使得聚烯烃隔膜的表面能较低，与电解液的亲和性较差，不能被电解液充分溶胀绝大部分电解液存在于孔隙中容易发生泄漏，相比之下，PVDF具有较高的极性，对电解液有很好的亲和性，能够充分吸收电解液从而防止泄露现象。除此之外，PVDF作为电解质还具有一些理想的性能：比如(1)机械强度和韧性兼备；(2)宽电压窗；(3)热稳定性好，不燃烧，长期工作温度可达150℃，分解温度可达400℃；(4)电化学稳定性高，与其他材料无不良反应；(5)加工性能好等优良特性。
[0007]然而，现有的静电纺丝法制备的PVDF隔膜强度不够理想，影响了隔膜的力学性能和使用寿命。

技术实现思路

[0008]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本专利技术提供了一种薄膜材料，该薄膜材料具有良好的强度和力学性能，用于电池隔膜等方面时，具有更好的性能和使用寿命。
[0009]本专利技术还提供了一种薄膜材料的制备方法。
[0010]本专利技术还提供了一种电池隔膜。
[0011]本专利技术的第一方面提供了一种薄膜材料，所述薄膜材料由纳米级纤维丝交织形成，所述纳米级纤维丝上分布有珠状结构，所述薄膜材料的制备原料包括聚偏氟乙烯、改性海泡石和溶剂。
[0012]本专利技术关于薄膜材料的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
[0013]本专利技术的薄膜材料由纳米级纤维丝交织形成，纳米级纤维丝上分布有珠状结构。纳米级丝珠状网络结构，一方面，有效提高了薄膜材料的比表面积和孔隙率，从而薄膜材料的性能更优；另一方面，薄膜材料具有出色的耐热稳定性和尺寸稳定性。最终，薄膜材料具有优良的综合性能。
[0014]本专利技术的薄膜材料，制备原料包括聚偏氟乙烯、改性海泡石和溶剂。聚偏氟乙烯是薄膜材料的主体材料。海泡石是一种由两层四面体的SiO2单元组成的非金属矿物材料，其理论分子式为Mg8Si
12
O
30
(OH)4(H2O)4·
8H2O。海泡石属于2:1型层链状结构，由一个中心氧原子和一层不连续的氧原子八面体连接组成，且由于海泡石中的Si
‑
O
‑
Si键合三维立体键结构可以把分子链结合在一起，使得其晶体形态沿一个方向伸长，所以微观下呈现出纤维状或者棒状的结构。由于海泡石这些独特的晶体结构，使得其本身具有优异的吸附性、高比表面积、良好的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性等优点。在医药、陶瓷、铸造、塑料、建筑等多个领域具有广泛的应用。本专利技术的薄膜材料，制备原料中的改性海泡石，相比于普通海泡石，改性海泡石的作用是使用酸性溶剂，溶解并去除海泡石中多余的金属杂质，并且能够使原始海泡石在微观结构上打开团聚，让其恢复本来的纤维或者棒状结构，使其在之后的静电纺丝过程中能够更好的与聚偏氟乙烯纳米纤维相互包覆、交缠，最终通过改善纤维结构来优化隔膜性能。改性海泡石的添加能进一步提升薄膜材料的热稳定性以及离子电导率。溶剂的作用是溶解聚偏氟乙烯，为聚偏氟乙烯和改性海泡石提供分散的载体。
[0015]根据本专利技术的一些实施方式，所述聚偏氟乙烯和所述改性海泡石的质量比为1:0.5～2。
[0016]根据本专利技术的一些实施方式，所述聚偏氟乙烯和所述溶剂的质量体积比为10g～15g:100mL。
[0017]根据本专利技术的一些实施方式，所述聚偏氟乙烯的平均分子量为700万～900万。
[0018]根据本专利技术的一些实施方式，所述聚偏氟乙烯的平均分子量为800万～900万。
[0019]根据本专利技术的一些实施方式，所述聚偏氟乙烯的平均分子量为800万。
[0020]不同的分子量调配出来的溶液溶度会有很大的差别。以平均分子量为400万或600万的聚偏氟乙烯为例，配制的溶液会比较稀，达不到纺丝要求的粘稠度，因此，分子量过小时，就需要加更多的溶质，会导致定量的溶液无法充分溶解。而分子量过大容易使溶液过于粘稠，导致纺丝过程中容易堵塞针管，因此800万～900万为合适的分子量。
[0021]根据本专利技术的一些实施方式，所述溶剂为二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂。
[0022]二甲基甲酰胺(N,N
‑
Dimethylformamide，简称DMF)具有较高的偶极常数和偶极矩，是PVDF的良好溶剂，但其挥发性较差。为加快静电纺丝分散剂的挥发，需要在DMF中加入少量丙酮。但丙酮加入量越大，静电纺丝时挥发速度越快，导致纺丝液粘度增大。这使得静电力在拉拔过程中难以克服液滴的表面张力，导致纤维拉拔不均匀，会大量纤维结合形成团簇。由此，溶剂需要是二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂。
[0023]根据本专利技术的一些实施方式，二甲基甲酰胺和丙酮的体积比是7:3。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄膜材料，其特征在于，所述薄膜材料由纳米级纤维丝交织形成，所述纳米级纤维丝上分布有珠状结构，所述薄膜材料的制备原料包括聚偏氟乙烯、改性海泡石和溶剂。2.根据权利要求1所述的一种薄膜材料，其特征在于，所述聚偏氟乙烯和所述改性海泡石的质量比为1:0.5～2。3.根据权利要求1所述的一种薄膜材料，其特征在于，所述聚偏氟乙烯和所述溶剂的质量体积比为10g～15g:100mL。4.根据权利要求1至3任一项所述的一种薄膜材料，其特征在于，所述溶剂为二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂。5.根据权利要求1至3任一项所述的一种薄膜材料，其特征在于，所述改性海泡石的制备方法为：将海泡石粉末在酸溶液中升温搅拌后，洗涤并干燥。6.一种制备如权利要求1至5任一项所述的薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢淑红，张一帆，谢维，张庆丰，陈志富，安智涛，欧阳晓平，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：