一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃隔膜的制备方法，本发明专利技术利用具有优异成膜性、高强高模、优异力学性能的芳纶纳米纤维与导电性优异的导电剂进行混合制备得到涂布液，通过涂布法在商用聚烯烃隔膜表面形成一层附加结构层，充分发挥了芳纶纳米纤维优异的成膜性以及分子间氢键网络交联优势与导电剂的高导电性，改善了目前商用聚烯烃隔膜存在耐温性能差、表面能低、隔膜孔径大等问题，提升了聚烯烃隔膜的耐温性、电解质浸润性，降低了电池的电化学阻抗，能够极大的抑制锂枝晶的生长，电池的放电容量提高，电池循环使用寿命得到显著提高，可满足高性能锂离子电池、锂硫电池等领域对隔膜的应用需求。池等领域对隔膜的应用需求。池等领域对隔膜的应用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池隔膜领域，具体涉及一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]隔膜直接影响着电池的电化学性能和安全性能，因而在电池中是十分重要的一部分。对于电池隔膜来说一方面应该拥有微孔结构，在阻止正负极短路上发挥着重要的作用；另一方面隔膜必须具有良好的强度、弯曲强度和收缩性，以及具有较好的离子电导率、适当的孔隙度和优异的电解液浸润性。在目前商用隔膜中广泛使用的隔膜主要为聚丙烯微孔膜，聚乙烯微孔膜以及多层复合隔膜。此类隔膜价格低廉，具有良好的化学和电化学稳定性，并且孔隙度可控，但这些材料也有一些很明显的缺点：在高温或者大电流密度下性能差，容易导致电池短路引起严重的安全事故；在电池充放电过程中由于隔膜力学强度差，容易被锂枝晶刺穿，电池内阻上升，电池容量衰减速度快，不能够满足高性能高放电容量的电池需求。因此，开发高质量、多功能的新型隔膜成为改进电池性能的重要方向之一。
[0003]在现有电池隔膜制备过程中主要是针对商用聚烯烃隔膜进行优化改性，改变隔膜热稳定性、电解液浸润性，从而提高电池的放电容量。(1)公开号为CN111628134A的中国专利技术专利申请提出在聚乙烯基质微孔膜增加改性涂层，改性增强涂料中，纳米无机微粉的加入能够对聚乙烯基质微孔膜起到增强作用，从而降低聚乙烯基质微孔膜的热收缩性能，有效提升锂离子电池的充放电性能，降低涂层对锂离子传输的影响，提升锂离子电池隔膜的性能，但该改性方法在聚烯烃隔膜表面改性，在电池充放电过程中降低了电池的循环使用寿命；(2)授权公开号为CN108630862B的中国专利技术专利通过将膜材料、冰乙酸、聚乙烯吡咯烷酮、稀释剂混合得到均相溶液，在电加热模具中恒温静置脱泡，铸膜液刮涂成膜，并进行淬冷等方式制得锂离子电池共混微孔隔膜，隔膜的孔径分布更加均匀、导电率提高、电池内阻降低，但该过程并没有改变隔膜耐温性能，温度升高时隔膜易于收缩，影响了隔膜在高温领域的应用；(3)公开号为CN11158480A的中国专利技术专利申请通过将芳纶纳米纤维沉积在改性的PVDF
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HFP隔膜表面以增强芳纶纤维与基膜表面的粘合力，制备出机械强度高、良好的耐高温性和优异的电化学性能的隔膜；(4)公开号为CN111129400A的中国专利技术专利申请提出将成膜原料和成孔剂混合挤出得到第一基片，将第一基片冷却成型得到第二基片；对第二基片加热进行双向拉伸，得到微孔隔膜，对微孔隔膜进行热定型和分切后得到多孔锂电池隔膜，但该方法工艺复杂，制备得到的电池隔膜孔径大小不均匀，影响了锂离子的传输速度。
[0004]对位芳纶纤维具有高强度、高模量、耐酸耐碱、耐高温、力学性能优异以及轻量等一系列优良性能，是一种高性能的具有耐温性和绝缘性的纤维材料，在特种材料和军工等领域具有广泛的应用。对位芳纶纳米纤维(Aramid Nanofibers，ANF)作为近年来新兴的一种纳米级材料，因其具有独特的纳米尺度结构和大的长径比，不但保留了宏观芳纶纤维高
强高模的特性，还为其带来宏观芳纶纤维无法实现的复合增强效果，因此对位芳纶纳米纤维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。ANF之间能够产生强的氢键结合形成交联网络结构，具有优异的成膜效果，在电池隔膜等领域具有巨大的应用前景。碳纳米管、氧化石墨烯等具有优异电化学性质，较高的比表面积和优异电子传输能力，对于提高电池隔膜离子传输速度具有巨大的优势。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法，以克服目前商用聚烯烃隔膜耐温性能差，表面光滑无活性基团，隔膜容易起皱和收缩变形，与电解液相容性差，力学强度低，容易被锂枝晶刺穿等问题，本专利技术对传统聚烯烃隔膜进行改性处理，制备得到一种高性能的电池隔膜材料。本专利技术采用新工艺研发出兼具有阻燃性、优异力学性能和耐温性、长循环使用寿命和高放电容量、能够抑制锂枝晶生长、与电解液有良好浸润性的芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜，提升了目前商用聚烯烃隔膜的整体性能。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：制备芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液；
[0009]步骤二：向芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液中加入导电剂，得到芳纶纳米纤维/导电剂涂布液；
[0010]步骤三：将芳纶纳米纤维/导电剂涂布液涂覆在基底聚烯烃隔膜表面，得到芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜。
[0011]进一步地，步骤一中所述的芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液的质量浓度为0.5～2％。
[0012]进一步地，步骤二中所述的导电剂为多臂碳纳米管、单臂碳纳米管、Mxene、导电炭黑或石墨烯。
[0013]进一步地，所述导电剂的添加量为芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液中芳纶纤维质量百分比浓度的3～10％。
[0014]进一步地，步骤三中所述基底聚烯烃隔膜为聚丙烯、聚乙烯或聚丙烯与聚乙烯的复合隔膜。
[0015]进一步地，步骤三中所述基底聚烯烃隔膜在涂覆处理之前经甲醇活化处理，活化处理后用去离子水进行清洗。
[0016]进一步地，所述甲醇活化处理的时间为2h。
[0017]进一步地，步骤三中所述涂覆的方式为单面涂布，涂覆厚度为3～10μm。
[0018]一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜，采用上述一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法得到。
[0019]一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜在制备电池隔膜材料上的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0021]针对于目前商用聚烯烃类电池隔膜耐温性能差，易发生收缩和变形、熔化，引起电池短路，造成了电池热闭孔，严重威胁了电池安全使用，在电池充放电循环过程中聚烯烃隔膜力学形成差、孔径结构大，难以抑制锂枝晶的生长，一些多硫化物会在隔膜表面进行沉积，造成了电池容量衰减速率快，电化学性能难以满足高性能电池的应用需求。本专利技术提供一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法，利用具有独特纳米尺度结构、高长径比和高比表面积的芳纶纳米纤维与具有良好导电性的导电剂进行混合制备涂布液，以商用聚烯烃隔膜为基底，通过简单涂布法将涂布液涂覆在聚烯烃隔膜表面制备得到复合隔膜，充分发挥对位芳纶纳米纤维优异的成膜性和热性能，并与具有优异导电性的导电剂进行结合以改善复合隔膜的离子电导率。
[0022]进一步地，本专利技术采用碳纳米管、MXene、导电炭黑、石墨烯等导电剂，利用上述导电剂具有高比表面积的特性提高锂离子的传输能力，通过发挥导电剂与充放电过程中产物间的物理吸附和束缚作用提高活性物质的利用率，进而开发出具有优异热稳定性、耐温性、亲液性、优异放本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：制备芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液；步骤二：向芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液中加入导电剂，得到芳纶纳米纤维/导电剂涂布液；步骤三：将芳纶纳米纤维/导电剂涂布液涂覆在基底聚烯烃隔膜表面，得到芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜。2.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液的质量浓度为0.5～2％。3.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法，其特征在于，步骤二中所述的导电剂为多臂碳纳米管、单臂碳纳米管、Mxene、导电炭黑或石墨烯。4.根据权利要求1所述的一种芳纶纳米纤维/导电涂层涂覆聚烯烃复合隔膜的制备方法，其特征在于，所述导电剂的添加量为芳纶纳米纤维/二甲基亚砜分散液中芳纶纤维质量百分比浓度的3～10％。5.根据权利要求1...

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