多孔芳纶纳米纤维薄膜及制备方法和在电池隔膜中的应用技术

本发明专利技术涉及一种多孔芳纶纳米纤维薄膜及制备方法和在电池隔膜中的应用，所述多孔芳纶纳米纤维薄膜的厚度为80nm～2μm，孔径为20～200nm，孔隙率为46％～67％。本发明专利技术所得的芳纶纳米纤维薄膜体积小、重量轻，可以用于更高的电池能量密度，拉伸强度高，使用该多孔层状芳纶纳米纤维隔膜的电池在1C的充放电倍率下循环200圈后的容量保持率高。环200圈后的容量保持率高。环200圈后的容量保持率高。

【技术实现步骤摘要】
多孔芳纶纳米纤维薄膜及制备方法和在电池隔膜中的应用


[0001]本专利技术涉及锂电池隔膜，尤其涉及一种多孔芳纶纳米纤维薄膜及制备方法和在电池隔膜中的应用。

技术介绍

[0002]隔膜作为电池的四大关键元件(正极、电解液、隔膜、负极)之一，具有不可替代的作用。隔膜不仅要隔离正负极防止电池短路，吸收并保留液态电解质，同时需要多孔结构以提供锂离子的迁移通道。由于锂金属的高反应性，在充放电循环过程中，锂在锂金属负极上的不均匀沉积会导致锂枝晶。锂枝晶会刺穿隔膜，导致正负极接触使电池短路，内部短路会产生大量的焦耳热。电池在高温下工作，隔膜收缩会导致电池短路或者热失控甚至爆炸，造成严重的安全隐患。目前，商业化的聚丙烯(PP)或聚乙烯(PE)隔膜及已有报道的隔膜的拉伸强度为200MPa以下甚至为几MPa。因此，要求隔膜除具有高的机械强度阻挡锂枝晶的生长之外，还需要具有优异的热尺寸稳定性。
[0003]目前，锂电池使用的隔膜大部分为PP或PE隔膜。但是聚烯烃隔膜的热稳定性差，聚丙烯隔膜的熔点为160℃左右，而聚乙烯的熔点更低，在130℃左右。在正常环境下，聚烯烃隔膜都能够防止正负极之间的物理接触。然而，基于聚烯烃隔膜在锂电池应用中的一个严重问题是在相对较高的温度下会严重收缩，增加了正负极直接接触并导致内部短路的风险。在充放电循环过程中，电池内部温度会变得更高，在高电流密度下，电池内部的温度会进一步加剧。当电池过热时，会致使电池短路或发生热失控现象，聚烯烃隔膜会很快发生热收缩或融化，导致发生爆炸等风险。
[0004]在锂电池隔膜领域，为了提高聚合物隔膜的热稳定性，现有技术通常采取在聚合物膜表面涂覆陶瓷层或者多层聚合物膜叠加的方式来削弱高温下隔膜的热收缩。例如，商业化的三明治型的PP/PE/PP隔膜和Al2O3陶瓷层涂覆的PP或PE隔膜。然而，这些技术手段会不可避免地造成隔膜体积和质量的增加，导致电池能量密度的下降。
[0005]综上所述，现有锂电池隔膜主要存在以下缺陷：(1)现有技术中锂电池隔膜的耐高温性能不够高。当电池过热时，会致使电池短路或发生热失控现象，现有的商业聚合物隔膜会很快发生热收缩或融化，导致发生爆炸等风险。(2)现有技术中锂电池隔膜的机械强度不够高。为了提高电池的能量密度，减小电池体积以及降低电池重量是必要的，因此超薄超轻的聚合物隔膜是目前技术发展的主流方向。然而，现有聚合物想要做薄，就意味这会牺牲隔膜的机械强度，导致锂枝晶生长并刺破隔膜的风险加大。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服上述技术不足，提供一种多孔芳纶纳米纤维薄膜及制备方法和在电池隔膜中的应用，解决现有技术中隔膜机械强度较低以及耐高温性能差的技术问题。
[0007]为达到上述技术目的，本专利技术提供的技术方案是：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种多孔芳纶纳米纤维薄膜，所述多孔芳纶纳米纤维薄膜的厚度为80nm～2μm，孔径为20～200nm，孔隙率为46％～67％。所述多孔芳纶纳米纤维薄膜是由芳纶纳米纤维堆叠而成的层状结构，所述芳纶纳米纤维的直径为10～20nm，纤维长度为0.5～2μm。
[0009]第二方面，本专利技术提供一种上述多孔芳纶纳米纤维薄膜作为锂电池隔膜的应用。
[0010]第三方面，本专利技术提供一种上述多孔芳纶纳米纤维薄膜的制备方法。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0012]本专利技术所提供的芳纶纳米纤维薄膜的厚度在几十纳米到2微米之间，体积小、重量轻，可以用于更高的电池能量密度；拉伸强度高，使用该多孔芳纶纳米纤维隔膜的电池在1C的充放电倍率下循环200圈后的容量保持率高。
[0013]进一步地，本专利技术所提供的芳纶纳米纤维薄膜的拉伸强度在500MPa以上，甚至可以达到GPa级别，可以更好的防止锂枝晶刺穿隔膜导致电池短路；在200℃也能保持原有体积，基本无热收缩发生，相对现有技术的隔膜具有更高的安全性；通过无机盐参与固化成膜再溶解造孔，所得的薄膜孔隙均匀可控，作为电池隔膜有效提升其容量保持率。
附图说明
[0014]图1是本专利技术采用的微流控芯片的结构示意图；
[0015]图2a
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h分别是实施例3、4、5、6、7、1、2及对比例2对应的ANF薄膜断面的SEM图；
[0016]图3a和3b分别是多孔ANF薄膜和无孔ANF薄膜的表面形貌；
[0017]图4a
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c分别是实施例1、2、6对应的多孔ANF薄膜的应力
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应变曲线；图4d是各实施例及对比例对应的隔膜的拉伸强度；
[0018]图5a
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c分别是商业PP隔膜、无孔ANF薄膜、多孔ANF薄膜在不同处理温度下的热尺寸稳定性；
[0019]图6是实施例1中的多孔ANF薄膜作为隔膜组装的锂电池在室温下的循环性能；
[0020]图7是实施例2中的多孔ANF薄膜作为隔膜组装的锂电池在室温下的循环性能；
[0021]图8是对比例1中的商业PP断面扫描电镜图(SEM)；
[0022]图9是对比例1中的商业PP隔膜组装的锂电池在室温下的循环性能；
[0023]图10是对比例2中的无孔ANF薄膜作为隔膜组装的锂电池在室温下的循环性能。
[0024]图11是本专利技术实施例1(c)、实施例2(a)、实施例7(b)制备的多孔层状ANF膜的孔径分布图；
[0025]图12是本专利技术实施例和对比例中所使用的ANF纳米纤维粉末在不同状态下的图，其中(a)是ANF原料(溶解前)的扫描照片，(b)是ANF溶解成溶液后的TEM照片；
[0026]图13是对比例3所制备的多孔层状ANF纤维膜的应力
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应变曲线图。
具体实施方式
[0027]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0028]缩写及术语解释
[0029]ANF：芳纶纳米纤维
[0030]DMSO：二甲基亚砜
[0031]Li||LFP：磷酸铁锂电池
[0032]本专利技术提供了一种芳纶纳米纤维薄膜及其制备方法和在锂电池隔膜中的应用；其中，芳纶纳米纤维薄膜是一种超薄、耐高温的多孔聚合物薄膜，其制备方法包括如下步骤：
[0033](1)按质量份数计，将2～5份碱和0.2～3份ANF纳米纤维粉末投入92～97.8份的第一溶剂中，充分搅拌溶解后得到ANF溶液。将0.1～1.5份水溶性的无机盐，加入98.5～99.9份ANF溶液中混合配制成ANF盐溶液。
[0034](2)采用微流控技术，将ANF盐溶液固化形成ANF薄膜。将ANF薄膜进行造孔，形成多孔的芳纶纳米纤维薄膜。
[0035]优选的，步骤(1)中碱为无机碱，进一步优选为KOH或NaOH等强碱。
[0036]优选的，步骤(1)中第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔芳纶纳米纤维薄膜，其特征在于，所述多孔芳纶纳米纤维薄膜的厚度为80nm～2μm，孔径为20～200nm，孔隙率为46％～67％。2.根据权利要求1所述的多孔芳纶纳米纤维薄膜，其特征在于，所述多孔芳纶纳米纤维薄膜是由芳纶纳米纤维堆叠而成的层状结构，所述芳纶纳米纤维的直径为10～20nm，纤维长度为0.5～2μm。3.根据权利要求2所述的多孔芳纶纳米纤维薄膜，其特征在于，单层芳纶纳米纤维的厚度为1～10nm。4.根据权利要求1所述的多孔芳纶纳米纤维薄膜，其特征在于，所述多孔芳纶纳米纤维薄膜的拉伸强度在500MPa以上，抗热收缩温度达到200℃以上。5.如权利要求1
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4任一项所述多孔芳纶纳米纤维薄膜作为锂电池隔膜的应用。6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，采用所述多孔芳纶纳米纤维薄膜作为锂电池隔膜，并组装Li||LFP纽扣电池，在1C的充放电倍率下循环200圈后的容量保持率为85～91％。7.如权利要求1
‑
4任一项所述多孔芳纶纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏超，程莎，尤雅，陈文，
申请(专利权)人：湖北隆中实验室，
类型：发明
国别省市：