一种电池隔膜增强材料.pdf

本发明提供一种电池隔膜增强材料，由下述组分组成：芳纶短切纤维：30％～95％重量份；芳纶沉析纤维：5％～70％重量份；所述的芳纶短切纤维为芳纶1313纤维或芳纶1414纤维，长度为6±3mm，纤维纤度为1.2～3.2dtex；所述的芳纶沉析纤维为芳纶1313沉析纤维或者芳纶1414沉析纤维，打浆度为20～85°SR。本发明的材料可置于各种电池隔膜之间使用，相比之前传统的单独使用的塑料电池隔膜，添加了该增强材料的电池隔膜的耐温性能以及化学稳定性都有所提高。

权利要求书1.  一种置于多层电池隔膜之间的电池隔膜增强材料，所述电池隔膜增强材料由下述组分制成：芳纶短切纤维：  30％～95％重量份；芳纶沉析纤维：  5％～70％重量份；所述的芳纶短切纤维为芳纶1313纤维或芳纶1414纤维，长度为6±3mm，纤维纤度为1.2～3.2dtex；所述的芳纶沉析纤维为芳纶1313沉析纤维或者芳纶1414沉析纤维，打浆度为20～85°SR。2.  如权利要求1所述电池隔膜增强材料，其特征在于，所述电池隔膜增强材料由下述组分制成：芳纶短切纤维：  50％～90％重量份；芳纶沉析纤维：  10％～50％重量份。3.  如权利要求1所述的电池隔膜增强材料，其特征在于，所述电池隔膜增强材料由下述组分制成：芳纶1414短切纤维：  55％重量份；芳纶1414沉析纤维：  45％重量份。4.  如权利要求1所述的电池隔膜增强材料，其特征在于，所述电池隔膜增强材料由下述组分制成：芳纶1313短切纤维：  65％重量份；芳纶1414沉析纤维：  35％重量份。5.  如权利要求1所述的电池隔膜增强材料，其特征在于，所述电池隔膜增强材料由以下组分制成：芳纶1313短切纤维：  75％重量份；芳纶1313沉析纤维：  25％重量份。6.  如权利要求1所述的电池隔膜增强材料，其特征在于，所述电池隔膜增强材料由以下组分制成：芳纶1414短切纤维：  85％重量份；芳纶1313沉析纤维：  15％重量份。7.  如权利要求1所述的电池隔膜增强材料，其特征在于，所述电池隔膜增强材料的厚度为0.02mm～0.05mm，定量为10～30g/m2。8.  如权利要求1所述的电池隔膜增强材料，其特征在于，所述电池隔膜增 强材料的密度为0.30～0.67g/m2，孔隙率为30～80％，透气度Gurley值1～3s。9.  一种制备权利要求1所述电池隔膜增强材料的方法，包括下述步骤：(1)将芳纶短切纤维按0.25％～0.5％的质量分数浓度用水利碎浆机疏散；将芳纶沉析纤维和芳纶浆粕分别按1～3％质量分数的浓度用水利碎浆机疏散；(2)分别将疏散的芳纶沉析纤维通过盘磨机盘磨至叩解度为20～85°SR的浆料；(3)将所制得的各浆料按权利要求1所述的配比在配浆罐中加水混合均匀，在抄造过程中，加入质量分数为0.2％～0.8％的抗絮凝剂，如聚氧化乙烯、聚乙烯醇等，圆网成形，经过湿压榨，烘缸干燥，卷取成卷存放，在温度为230～320℃、压力为2～7Mpa经热轧机高温热轧成型。10.  一种锂离子电池，其特征在于在所述电池的电池隔膜之间进一步包含权利要求1所述的电池隔膜增强材料。

说明书一种电池隔膜增强材料
技术领域
本发明涉及离子电池领域，具体涉及离子电池的隔膜增强材料。
背景技术
自20世纪90年代初，索尼(SONY)公司成功开发锂电池以来，锂离子电池以其能量密度高、循环使用寿命长和电压高等优异的电性能而获得了迅速的发展。目前已经广泛地应用于手机、便携式电脑、照相机、摄像机等电子产品领域，而且应用的领域仍在不断的扩展之中。锂离子电池由正负极、电解质和隔膜组成。其中，电池隔膜是指在电池正极和负极之间一层隔膜材料，是电池中非常关键的部分，对电池安全性和成本有直接影响，其主要作用是：隔离正、负极并使之不能直接接触，让电解质液中的离子在正负极之间自由通过。电池隔膜的离子传导能力直接关系到电池的整体性能，其隔离正、负极的作用使电池在过度充电或者温度升高的情况下能限制电流的升高，防止电池短路引起爆炸，具有微孔自闭保护作用，对电池使用者和设备起到安全保护的作用。
目前，隔膜用微孔膜的制备方法分为干法(熔融拉伸，MSCS)和湿法(热致相分离，TIPS)两种技术。上述两种制膜材料为聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃塑料，其耐热性较差，严重影响了电池隔膜在更广泛的领域中的应用，随着锂离子动力电池等大容量电池的发展，商品化聚烯烃隔膜的耐温性和透气性的局限对电池的安全性能构成重大威胁。专利201010204780.3“基于芳纶纤维的电池隔膜”中介绍了一种以芳纶超短纤维(＜1.5mm)及沉析纤维组成的电池隔膜及其生产方法，但是由于定量及厚度均较高，因此限制了其应用。专利201210425855.X“一种耐高温聚芳砜酰胺基锂离子电池隔膜”介绍了一种以聚芳砜酰胺为基体的电池隔膜，但由于其使用了静电纺的生产方法而使其工业化生产受到限制。专利201410372541.7“芳纶纤维构成的高性能电池隔膜”介绍了一种以聚对苯二甲酰对苯二胺为主材料的电池隔膜，但是其添加了吡啶、酯类、重铬酸钾等物质，这限制了其应用范围。
综上可知，现有芳纶电池隔膜技术在实际使用上，显然存在着不便与缺陷，所以有必要进行改进。
发明内容
针对以上缺陷，本发明的一个目的在于提供一种置于多层电池隔膜之间的电池隔膜增强材料，所述电池隔膜增强材料以芳纶短切纤维为主、配加芳纶沉析纤维和芳纶浆粕抄造而成，该材料本身具有较优异的综合性能，即优异的耐温性能、高强度、耐疲劳性、低变形、耐火阻燃性能、耐化学腐蚀性能等优点。
本发明的另一目的为提供一种使用本发明电池隔膜增强材料的锂离子电池。
本发明的技术方案为：
一种置于多层电池隔膜之间的电池隔膜增强材料，所述电池隔膜增强材料由下述组分制成：
芳纶短切纤维：30％～95％重量份；
芳纶沉析纤维：5％～70％重量份；
其中，所述芳纶短切纤维的长度为6±3mm。
进一步地，上述电池隔膜增强材料优选由下述组分制成：
芳纶短切纤维：50％～90％重量份；
芳纶沉析纤维：10％～50％重量份；
进一步地，上述芳纶短切纤维选自芳纶1313纤维或芳纶1414纤维；所述的芳纶沉析纤维选自芳纶1313沉析纤维或者芳纶1414沉析纤维。
本文中所述术语“沉析纤维”与“浆粕”不同，是指基本上为二维薄膜状小颗粒的细分聚合物产品，其具有100～1000μm的长度和宽度及0.1～1μm的厚度。通常通过使聚合物溶液流动至与该溶液的溶剂不混容的液体的凝固浴中来制备而得。聚合物溶液流在聚合物凝固时受到剧烈剪切力和紊流的影响。其制备的详细方法为：将一定粘度的酰胺树脂溶液输送至沉析机中，利用可控的凝固组合物使聚合物凝固，沉析机的转子转速4000～8000rpm，高转速下产生出了适合造纸的良好质量沉析纤维的剪切力，析出二维细小的薄膜条状的纤维，最后经过水洗，打浆精制后，得到全对位沉析纤维浆料。通 过打浆，使缠绕在一起的纤维疏解开，并增加了沉析纤维的比表面积，进而增强了纤维间的键能。制备的沉析纤维质量的好坏，将直接影响到合成纸的机械强度。
术语“浆粕”是指具有纤柄和有纤柄和通常自纤柄延伸的原纤的纤维材料，其中纤柄通常为柱形并且直径为约10～50μm，而原纤为通常与纤柄连接的细毛发状构件，其直径仅为若干分之一或几μm，并且长度为约10至100μm。
本发明的电池隔膜增强材料与传统的电池隔膜同时使用，可放置于大功率的锂电池隔膜之间，能实现提高电池正负极的机械隔离功能，提高其安全性能。
本发明的另一个目的是提供一种上述电池隔膜增强材料的制备方法，主要包括制浆配料、抄造成形、干燥并高温热轧等步骤。其中，在制浆配料过程中，将芳纶纤维(芳纶1313纤维或者芳纶1414纤维)切短至6±3mm左右，在水中疏散开来备用；将芳纶沉析纤维(1313沉析纤维或者1414沉析纤维)疏散并打浆至浆料的叩解度为20°SR～85°SR备用。将制得的浆料按配比混合均匀后，采用圆网纸机成形。制备本发明电池隔膜增强材料时，因芳纶纤维的憎水性，在水中极难分散，为了促进芳纶纤维在水中的分散，在混合浆料中加入质量分数为0.2％～0.8％的抗絮凝剂，增加纤维在水中运动的阻力，缓解纤维在水中的交织缠绕絮聚，从而达到提高电池隔膜增强材料的匀度的目的。
抄造成形阶段，采用圆网纸机。经稳浆箱调节浆料压力均等，再经流浆箱将浆料均匀的分散至成形器上，多余的浆料溢流回到抄前池中循环利用。待浆料成形后，经毛毯送至压榨，除去多余的水分，再经烘缸烘干后卷取。
在高温热轧阶段，采用接近沉析纤维缩聚温度点热轧，经热轧机一次热轧成型，温度在230℃～320℃之间，压力在2～7Mpa之间，保证电池隔膜增强材料的密度在0.30～0.67g/㎡之间，厚度在0.02mm～0.05mm之间即可。
本发明的电池隔膜增强材料综合了芳纶纤维、沉析纤维原料的各种优势，制备了一种由不同配比的芳纶纤维以及芳纶沉析纤维制备而成的电池隔膜增强材料，可置于各种电池隔膜之间使用，相比之前传统的单独使用的塑料电池隔膜，添加了该增强材料的电池隔膜的耐温性能以及化学稳定性都有 所提高。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加的清楚明白，结合以下的实施实例，对本发明进行更为详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例子仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
材料来源：商购
芳纶1414纤维：日本帝人公司生产；
芳纶1414沉析纤维：日本帝人公司生产；
芳纶1313纤维：广东新会彩艳生产；
芳纶1313沉析纤维：广汉运通化工生产。
【实施例1】电池隔膜增强材料的制备
本实施例的电池隔膜增强材料的组分配比如下：
芳纶1414纤维(4mm)：55％质量份；
芳纶1414沉析纤维：45％质量份；
具体制备方法为：
将芳纶1414纤维按0.25％的质量分数浓度用水利碎浆机疏散备用，再将芳纶1414沉析纤维按2％质量分数的浓度用水利碎浆机疏散，并通过盘磨机进一步的盘磨至叩解度为70°SR的浆料。再将所制得的浆料按以上所述配比在配浆罐中加水混合均匀，在抄造过程中，加入质量分数为0.6％的聚氧化乙烯，再圆网成形，经过湿压榨，烘缸干燥，卷取成卷存放，再经热轧机高温热轧成型，温度为290℃、压力为4Mpa，便可进行后续切边处理，得到的结果如表1所示：
表1电池隔膜增强材料的检测结果

【实施例2】电池隔膜增强材料制备
本实施例的电池隔膜增强材料的组分配比如下：
芳纶1313纤维(8mm):65％质量份；
芳纶1414沉析纤维：35％质量份；
具体制备方法为：
将芳纶1313纤维按0.4％的质量分数浓度用水利碎浆机疏散备用，再将芳纶1414沉析纤维按2％的质量分数的浓度用水利碎浆机疏散，并通过盘磨机进一步的盘磨至叩解度为75°SR的浆料。再将所制得的浆料按上述配比在配浆罐中加水混合均匀，在抄造过程中，加入质量分数为0.6％的聚氧化乙烯，再圆网成形，经过湿压榨，烘缸干燥，卷取成卷存放，再经热轧机高温热轧成型，温度为260℃、压力为3Mpa，便可进行后续切边处理，得到的结果如表2所示：
表2本实施例电池隔膜增强材料的检测结果

【实施例3】
本实施例的电池隔膜增强材料的组分配比如下：
芳纶1313纤维(6mm):75％质量份；
芳纶1313沉析纤维：25％质量份；
具体制备方法为：
将芳纶1313纤维按0.4％的质量分数浓度用水利碎浆机疏散备用，再将芳纶1313沉析纤维按1.3％的质量分数浓度用水利碎浆机疏散，并通过盘磨机进一步的盘磨至叩解度为55°SR的浆料。再将所制得的浆料按上述配比在配浆罐中加水混合均匀，在抄造过程中，加入质量分数为0.6％的聚氧化乙烯，再圆网成形，经过湿压榨，烘缸干燥，卷取成卷存放，再经热轧机高温热轧 成型，温度为250℃，压力为5Mpa，便可进行后续切边处理，得到的结果如表3所示：
表3本实施例电池隔膜增强材料的检测结果

【实施例4】
本实施例的电池隔膜增强材料的组分配比如下：
芳纶1414纤维(6mm):85％质量分数；
芳纶1313沉析纤维：15％质量分数；
具体制备方法为：
将上述的芳纶1414纤维按0.3％的质量分数浓度用水利碎浆机疏散备用，再将芳纶1313沉析纤维2％的质量分数的浓度用水利碎浆机疏散，并通过盘磨机进一步的盘磨至叩解度为70°SR的浆料。再将所制得的浆料按上述配比在配浆罐中加水混合均匀，在抄造过程中，加入质量分数为0.8％的聚氧化乙烯，再圆网成形，经过湿压榨，烘缸干燥，卷取成卷存放，再经热轧机高温热轧成型，温度为300℃，压力为5Mpa，便可进行后续切边处理，得到的结果如表4所示：
表4本实施例电池隔膜增强材料的检测结果

【实施例5】
使用本发明电池隔膜增强材料的电池与传统单独使用锂离子电池隔膜的电池的比较。
分别将以上实施例1-4所制备的电池隔膜增强材料同普通的电池隔膜配 合使用，采用叠片顺序为“正极-隔膜-电池隔膜增强材料-负极”的方式制成实施例电池，然后采用传统的叠片顺序为“正极-隔膜-负极”的方式制成对照例电池，进行对比试验。
容量和循环性能测试：按照QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》进行试验。结果显示，添加本发明电池隔膜增强材料的电池与传统的单独使用普通电池隔膜制成的正常生产电池相比，二者电池容量和循环性能测试都正常，分别如表5所示。
表5a电池容量、循环性能测试数据(1)

表5b电池容量、循环性能测试数据(2)

安全性测试-针刺试验：按照QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》进行试验。将所述两组电池进行安全性能检测，首先进行钉刺实验，钉刺负极极耳位，测量温升；如无大幅温升或冒烟发生，改钉刺正极极耳位，结果显示：传统的单独使用塑料电池隔膜制成的正常生产的电池钉刺试验时出现着火现象；而添加本发明电池隔膜增强材料的电池钉刺试验时均未出现着火现象。
表6安全性测试-针刺试验

安全性测试-高温冲击试验：按照QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》进行试验。将所述两组电池进行高温冲击测试，按标准充电后，将电池放入烤箱中，烤箱每分钟加温5±2℃直到140℃，在该温度下恒温30min，结果如下：
表7安全性测试-高温冲击试验

由此可见，添加本发明电池隔膜增强材料的电池的安全性能高于传统单独使用塑料电池隔膜的电池。
本发明较现有的电池隔膜材料，改变了短纤维为长纤维，改变浆粕为沉析纤维，同时无需使用第三种原材料，产品只使用两种原材料，大大减少产品及生产工艺的复杂性及不稳定性。其使用长纤维及沉析纤维的配伍后，纸样的定量、厚度下降，透气性提升，安全性并无下降，这更有利于实际的应用。