PVA真空浸漬PET無紡布制備鋰離子電池隔膜材料

楊會敏 朱紹存 張書振 徐玉潔

(1.山東泰鵬集團(tuán) 山東 泰安 271000；2.山東省泰安市徂汶景區(qū) 山東 泰安 271000；3.齊魯工業(yè)大學(xué) 山東 濟(jì)南 250353)

一、引言

隔膜作為鋰離子動力電池的核心部件在鋰離子電池中起到了隔絕正負(fù)極和為鋰離子的在正負(fù)極之間的躍遷提供離子通道的作用，其性能指標(biāo)對鋰離子電池的大倍率快速充電能力和循環(huán)壽命起到了決定作用[1]。而現(xiàn)有的聚烯烴類隔膜，由于孔隙率低(≤40%)和熔融溫度低(≤170℃)并不適用于大型動力鋰離子電池[2][3]。因此，迫切需要開發(fā)出一種熱穩(wěn)定性好，機(jī)械穩(wěn)定性優(yōu)異且具有一定厚度能適用于大型動力鋰離子電池的新型隔膜。

以滌綸為原料制備的長絲無紡布，具有厚度分布均勻、抗拉強(qiáng)度大，化學(xué)穩(wěn)定性好(耐酸和有機(jī)溶劑腐蝕)和熱穩(wěn)定性好(滌綸材料的軟化點可達(dá)240℃，熔點達(dá)260℃)等優(yōu)點[4][5]，可完全抵御鋰離子電池快速充放電過程中產(chǎn)生的熱量，其優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有PP隔膜。目前，對于PET基長絲無紡布的改性和復(fù)合，主要集中在以下幾方面，一是在PET無紡布單面或雙面進(jìn)行單一涂聚乙烯等聚合物以縮小無紡布孔徑。二是在PET無紡布表面進(jìn)行靜電紡絲來封閉無紡布表面孔隙，降低復(fù)合材料整體的孔徑大小的同時提高其耐熱穩(wěn)定性[7]。三是利用濕法制備超短PET纖維，成型后將PET無紡布進(jìn)行后續(xù)改性處理[8]。以上方法均利用了無紡布熱穩(wěn)定性好和孔徑大且分布廣的優(yōu)勢，但改性過程中由于毛細(xì)管力等原因使得聚合物很難完全填充到無紡布孔隙中，因此所制備復(fù)合材料多為層狀結(jié)構(gòu)，對無紡布孔隙的填充效果有限，而較大的孔隙容易使鋰離子電池的正負(fù)極相接觸而短路。此外，上述方法適用面窄，且復(fù)合制備過程繁瑣、對設(shè)備要求較高，經(jīng)濟(jì)效益低。隨著市場對于新能源電動汽車和電力儲能裝置的快速需求，促使鋰離子電池向著大倍率快速充放電的方向發(fā)展[9][10]。

二、實驗部分

(一)主要原料

聚乙烯醇PVA，國藥集團(tuán)；去離子水，自制；電解液LiPO4F6(EC:DEC=1:1),合肥科晶材料科技公司;面密度為20g/m2的親水滌綸長絲無紡布，山東泰鵬環(huán)保材料股份有限公司。

(二)真空浸漬法復(fù)合無紡布

PVA真空浸漬滌綸長絲無紡布的制備：

(1)PVA溶液的制備：將0.6g聚乙烯醇(PVA)在90oC水浴條件下分散溶解于100ml去離子水中形成透明水溶液。

(2)超聲處理：取1g面積為10cm×10cm的面密度為20g/m2的無紡布分散浸泡上述溶液后，超聲處理以促進(jìn)無紡布在高分子聚合物溶液中的分散。

(3)真空浸漬：在真空條件下保持水浴加熱2h，促進(jìn)無紡布纖維孔隙中空氣的完全排除，并促使高分子聚合物完全填充在無紡布纖維孔隙中。

(4)溶劑的去除：將浸漬后無紡布在95oC條件下鼓風(fēng)干燥烘干以去除水分得到復(fù)合后無紡布材料。

(三)對照實驗

按照上述實驗部分，取消真空浸漬過程，將無紡布在常溫常壓條件下水浴加熱2h。

三、結(jié)果與討論

(1)真空浸漬后復(fù)合無紡布對于電解液的吸收率雖略小于對照組，但仍保持較高的電解液吸收率。較大的電解液吸收率保證了電解液中中對于鋰離子供應(yīng)，而復(fù)合無紡布材料上納米級的孔徑為鋰離子在正負(fù)極之間的躍遷提供了大量的離子通道，有利于鋰離子電池使用壽命的延長及大倍率充放電性能[3]。

(2)真空浸漬法復(fù)合無紡布具有更薄的厚度，更大的孔隙率、更大的拉伸強(qiáng)度和更小的熱收縮率，使鋰離子電池更加微型化，機(jī)械加工性能更穩(wěn)定和具有更好的電化學(xué)穩(wěn)定性[6][11]。有助于鋰離子電池使用壽命的延長和大倍率充放電性能[7]。

四、結(jié)論

本實驗所制備滌綸長絲無紡布基體復(fù)合材料的方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于以下幾個方面：(1)利用真空浸漬實現(xiàn)了高分子聚合物對無紡布纖維孔隙的完全填充，使得復(fù)合材料保持較高的孔隙率，解決了現(xiàn)有復(fù)合材料易分層的問題，將高分子聚合物和無紡布復(fù)合成一個整體并制備了納米級孔隙用于鋰離子的遷移。(2)所制得電池隔膜，具有熱縮率小，孔隙率高和鋰離子傳質(zhì)阻抗小、電化學(xué)性能優(yōu)于現(xiàn)有商用聚乙烯隔膜的優(yōu)勢。(3)本實驗所采用的合成方法簡單，制備過程不涉及有毒試劑的使用，適用于多種面密度、高透氣性的PET親水無紡布做基體材料。本實驗制備的PET無紡布基復(fù)合隔膜材料可用于制備便攜式或動力型鋰離子電池。