PI-AlN-PTFE三元纳米复合多曲孔膜材料及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种纳米复合多曲孔膜材料，它以聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造布为基材，基材孔隙中填充有复合纳米颗粒；其特征在于：所述的复合纳米颗粒由聚四氟乙烯纳米微球(PTFE-NP)和氮化铝纳米颗粒(AlN-NP)以(7-12)/(8-13)的重量比混合构成。本发明提供的纳米复合多曲孔膜材料具有耐高温、高硬度、适中的孔隙率、适中的面密度、良好的离子传输性和优异的机械性能，用在锂离子电池中，可克服纯聚酰亚胺纳米纤维隔膜由于孔隙率过高而造成电池微短路的问题；可解决动力锂离子电池因机械碰撞导致热失控的严重问题。

说明书

技术领域

本发明属于电池隔膜领域，涉及一种多曲孔膜材料，具体涉及一种有机/无 机三元纳米复合材料，及其制备方法和作为电池隔膜的应用。

背景技术

锂离子电池作为新能源汽车的动力电池得到了迅速发展，将成为人类不可 缺少的生活用品。但由于目前使用的锂电池隔膜属于耐温性能较差的聚烯烃类 多孔膜材料，在较高温度下，或在电池过充过放及机械损伤的情况下，锂离子 电池容易出现冒烟、着火、甚至爆炸等危及使用者安全的隐患。因此，提高锂 离子电池的安全性是推广锂离子电池在汽车动力等领域应用的关键。

针对锂电池的使用安全性，人们利用PI材料的高耐热性，开发了一种高孔 隙率的电纺PI纳米纤维电池隔膜。这种高孔隙率PI纳米纤维隔膜在300℃高温 下不收缩，并具有耐过充过放、高倍率性能和高循环性能等特点，使锂离子电 池的电化学性能得到了大幅度提高。然而，由于这种电纺纳米纤维隔膜是一种 由纤维堆积的非织造布，具有过高的孔隙率和过大的表面孔径，导致电池的荷 电保持率较低，常出现微短路现象，尤其是当电池隔膜厚度较低时，如低于30 微米，这种情况出现的几率相当高。因此，非常有必要创造一种新的具有较低 孔隙率和较小表面孔径的耐高温高安全锂离子电池隔膜。

发明内容

本发明的目的之一在于：提供一种具有较低孔隙率和较小表面孔径的耐温、 高硬度、高安全的多曲孔膜材料。

本发明的目的之二在于：提供制备所述的多曲孔膜材料的方法。

本发明的目的之三在于：提供所述的多曲孔膜材料在电池隔膜中的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

首先，提供一种纳米复合多曲孔膜材料，它以聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造 布为基材，基材孔隙中填充有复合纳米颗粒；所述的复合纳米颗粒由聚四氟乙 烯纳米微球(PTFE-NP)和氮化铝纳米颗粒(AlN-NP)以(7-12)/(8-13)的重量比混合 构成。

本发明优选的纳米复合多曲孔膜材料中，所述的复合纳米颗粒由PTFE-NP 和AlN-NP以(30-42)/(38-50)的重量比混合构成；最优选的所述PTFE-NP和 AlN-NP的重量比包括42/38、30/50或36/44。

本发明优选的纳米复合多曲孔膜材料中，所述的PTFE-NP的直径优选在 80-300nm之间；AlN-NP的直径优选在50-800nm之间。

所述的PTFE-NP和AlN-NP共占所述的纳米复合多曲孔膜材料总重量的比 例优选在30-60％之间。

本发明优选的纳米复合多曲孔膜材料的厚度在10-40μm之间。

本发明优选的纳米复合多曲孔膜材料通过用含有(7-12)/(8-13)的重量比的 PTFE-NP和AlN-NP的水基混合悬浮液涂布或浸渍PI纳米纤维非织造布，使悬 浮液渗透填满PI纳米纤维非织造布的孔隙，再经100-200℃高温烘干制得。

所述的水基混合悬浮液优选进一步含有占悬浮液总重量1.0％～2.5％的粘合 剂和占悬浮液总重量0.05％～0.15％的分散剂。

所述的粘合剂优选聚丙烯酸酯，更优选丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物。

所述的分散剂优选聚丙烯酸铵。

所述的含有水基混合悬浮液优选的绝对粘度为20～30mPa·S。

在此基础上，本发明还提供一种制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法， 是以低粘度PTFE-NP和AlN-NP水基混合悬浮液和PI纳米纤维非织造布为原材 料，通过表面涂敷渗透或浸渍涂敷渗透的方法，将PTFE-NP和AlN-NP填进PI 纳米纤维非织造布的孔隙中，在较低温度烘干后，升温至较高温度使粘合剂在 PTFE-NP和AlN-NP间及纳米微球和纳米颗粒与PI纳米纤维间进行粘合。

本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法，具体包括以下步 骤：

1)配制水基混合悬浮液：

按重量百分比计，将7-12％的PTFE-NP、8-13％的AlN-NP、0.05-0.15％的 分散剂、1.0-2.5％的粘合剂和余量的水混合得到混合液，将混合液在8000转/min 的转速下乳化，形成绝对粘度在20～30mPa·S的水基混合悬浮液；

2)制备纳米复合多曲孔膜材料：

将步骤1)配制的水基混合悬浮液在水平板上铺平形成一定厚度的悬浮液 膜，然后将PI纳米纤维非织造布覆盖在所述的悬浮液膜上，悬浮液渗进PI纳米 纤维非织造布中，待纳米纤维布上层湿透，揭起PI纳米纤维非织造布；

3)将步骤2)得到的PI纳米纤维非织造布先在100～120℃下热烘8～12min， 再升温至180～200℃热处理3～6min,使PTFE-NP和AlN-NP间以及它们与PI 纳米纤维间因粘合剂的熔融而充分粘结形成本发明所述的三元纳米复合多曲孔 膜。

本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法，步骤1)所述的粘 合剂优选聚丙烯酸酯，更优选丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物；所述的分散剂 优选聚丙烯酸铵。

本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法，步骤2)所述的 PI纳米纤维非织造布优选厚度在9-38μm之间、孔隙率优选在60-90％之间的电 纺PI纳米纤维非织造布。

本发明优选的制备所述的纳米复合多曲孔膜材料的方法，步骤3)优选将步 骤2)得到的PI纳米纤维非织造布先在100℃下热烘10min，再升温至200℃热 处理5min。

本发明利用PTFE-NP具有耐温、较低的密度、纳米级的直径；AlN-NP具 有优越的耐温性、比金刚石更高的硬度和直径小于PI纳米纤维非织造布的表面 孔径等特性，将它们混合填充进PI纳米纤维非织造布的孔隙中，降低PI纳米纤 维非织造布的孔隙率及缩小其表面孔径、提高隔膜的电击穿强度、改善电池的 荷电保持率和杜绝电池的微短路现象；同时改善电池隔膜抗热收缩的性能，且 不会大幅度增加隔膜的面密度。因此，本发明的PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米 复合多曲孔膜是一种非常适合于用作耐高温高安全电池隔膜的膜材料。

本发明的纳米复合多曲孔膜材料通过特定的材料选择和工艺制备，形成具 有比现有的PI纳米纤维非织造布更小孔隙的有机/无机三元纳米复合的多曲孔膜 结构。其结构中，PI纳米纤维非织造布中的纳米纤维网络结构起支撑作用， PTFE-NP和AlN-NP起填充和构筑纳米孔隙的作用，从而赋予这种有机/无机三 元纳米复合多曲孔膜材料具有良好的孔隙结构、小表面孔径、高击穿强度、耐 热性能和优异机械性能等特性，克服了电纺PI纳米纤维非织造布过高的孔隙率、 过大的表面孔径和电击穿强度低等作为安全电池隔膜的致命弱点；同时，面密 度增加还不至于过大。在选择填充的复合纳米颗粒时，本发明人研究了有机纳 米微球与无机纳米颗粒之间的比例对于材料性能的影响，发现当复合纳米颗粒 比例高于60％时，将导致纳米颗粒填充的多曲孔膜的总体密度过高，对PI纳米 纤维非织造布的孔洞填充过度,导致孔隙率偏低,平均孔径偏小的复合多曲孔膜； 当复合纳米颗粒比例低于30％时，所述复合多曲孔膜绝缘性下降，微短路风险 较大，同时复合颗粒中的两类纳米颗粒之间也需要控制合适的比例，使两种微 粒各自的优质特性得以均衡发挥。本发明人经过大量的实验获得了两种颗粒间 的最佳配比范围，使复合多曲孔膜材料的整体性能在所述最佳配比范围下达到 最优。在选择粘合剂与分散剂时，本发明人需要根据复合纳米颗粒的特性和填 充工艺的需要在多种粘合剂和分散剂中进行多因素的全面筛选，最终发现：聚 丙烯酸酯类粘合剂，尤其是丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物，能够为复合水基 悬浮液提供恰到好处的黏度，为进一步的涂敷渗透和颗粒粘结提供了理想的基 础；聚丙烯酸铵的加入较其他分散剂更容易在纳米颗粒表面上形成双电层，能 够对超细固体颗粒的分散起到明显作用，可以降低浆料粘度、防止颗粒团聚， 使有机和无机纳米颗粒在水基悬浮液中的分散达到了较为理想的状态。此外， 本发明提供的制备方法相较现有技术中的刮涂工艺更适合工业化生产。

最终，本发明的PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合多曲孔膜材料获得了如 下特性：厚度在10-40μm之间、孔隙率在30-50％之间、表面孔径在50-800nm 之间、面密度在18-24g/m²、拉伸强度在30～50MPa之间、热收缩温度大于350℃、 电击穿强度在35-50V/μm之间、离子电导率在1.0-8.0×10^-3S·cm^-1之间。具有这 种特性的有机/无机三元纳米复合膜耐高温、抗热收缩、耐高电压和高电流冲击， 抗机械撞击，适合于用作安全电池隔膜和安全超级电容器隔膜，制造各种高容 量和高动力锂电池或超级电容器。

本发明还提供所述的纳米复合多曲孔膜材料作为非水电解质二次电池的电 池隔膜或电容器隔膜的应用。

具体实施方式

以下实施例将有助于本领域的普通技术人员进一步理解本发明，但不以任 何形式限制本发明。

实施例1：

一种有机/无机三元纳米复合膜材料，它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造 布为基材，基材孔隙中填充有聚四氟乙烯纳米微球(PTFE-NP)和氮化铝纳米颗粒 (AlN-NP)，两者重量比为42/38；

其制备方法如下：

(1)聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液(PTFE-NP/ AlN-NP/H₂O-1)的配置：聚四氟乙烯纳米微球(直径主要分布在300nm)乳液 (固含量60wt％)70.0克、氮化铝纳米颗粒(主要粒径分布在200nm)38.0 克，聚丙烯酸铵0.3克，丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物8.7克，蒸馏水328.0 克，一次性放入烧杯中，在每分钟8000转的转速下乳化，形成绝对粘度为26 mPa·S的聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液 (PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-1)。

(2)PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的制备：将 上面所配置的PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-1聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒 水基混合悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为40μm的悬浮液膜，然后将厚度为9 μm的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-1悬浮液膜上， 悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中，待纳米纤维布上层湿透，表明非织造布的 孔隙中已完全充满了悬浮液，揭起PI纳米纤维非织造布，在100℃下热烘10min， 升温至200℃热处理5min,使PTFE-NP纳米微球和氮化铝纳米颗粒间以及它们 与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯共聚物熔融而充分粘结形成有机/无机三元纳米 复合多曲孔膜。

(3)性能表征：所制备的PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安全 电池隔膜的厚度为11μm、拉伸强度为50MPa、断裂伸长率为40％、穿刺强度 为6.0N、在350℃下的热收缩率为0、多曲孔膜的孔隙率为35％、表面平均孔 径为140nm、在0.48bar压力下的透气性为250S、电击穿强度为40V/μm,离 子电导率为5.0×10^-3S·cm^-1。

实施例2：

一种有机/无机三元纳米复合膜材料，它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造 布为基材，基材孔隙中填充有聚四氟乙烯纳米微球(PTFE-NP)和氮化铝纳米颗粒 (AlN-NP)，两者重量比为30/50；

其制备方法如下：

(1)聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液(PTFE-NP/ AlN-NP/H₂O-2)的配置：聚四氟乙烯纳米微球(直径主要分布在300nm)乳液 (固含量60wt％)50.0克、氮化铝纳米颗粒(主要粒径分布在100nm)50.0 克，聚丙烯酸铵0.4克，丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物8.6克，蒸馏水570.0 克，一次性放入烧杯中，在每分钟8000转的转速下乳化，形成绝对粘度为21 mPa·S的聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液(PTFE-NP/ AlN-NP/H₂O-2)。

(2)PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的制备：将 上面所配置的PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-2聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒 水基混合悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为60μm的悬浮液膜，然后将厚度为 39μm的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-2悬浮液膜上， 悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中，待纳米纤维布上层湿透，表明非织造布的 孔隙中已完全充满了悬浮液，揭起PI纳米纤维非织造布，在100℃下热烘10min， 升温至200℃热处理5min,使PTFE-NP纳米微球和氮化铝纳米颗粒间以及它们 与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯熔融而充分粘结形成有机/无机三元纳米复合多 曲孔膜。

(3)性能表征：所制备的PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安 全电池隔膜的厚度为40μm、拉伸强度为35MPa、断裂伸长率为45％、穿刺强 度为7.9N、在350℃下的热收缩率为0、多曲孔膜的孔隙率为40％、表面平均 孔径为90nm、在0.48bar压力下的透气性为110S、电击穿强度为37V/μm,离 子电导率为5.5×10^-3S·cm^-1。

实施例3：

一种有机/无机三元纳米复合膜材料，它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造 布为基材，基材孔隙中填充有聚四氟乙烯纳米微球(PTFE-NP)和氮化铝纳米颗粒 (AlN-NP)，两者重量比为30/50；

其制备方法如下：

(1)聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液(PTFE-NP/ AlN-NP/H₂O-3)的配置：聚四氟乙烯纳米微球(直径主要分布在300nm)乳液 (固含量60wt％)50.0克、氮化铝纳米颗粒(主要粒径分布在500nm)50.0 克，聚丙烯酸铵0.5克，丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物8.5克，蒸馏水415.0 克，一次性放入烧杯中，在每分钟8000转的转速下乳化，形成绝对粘度为21 mPa·S的聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液(PTFE-NP/ AlN-NP/H₂O-3)。

(2)PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的制备：将 上面所配置的PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-3聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒 水基混合悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为50μm的悬浮液膜，然后将厚度为 23μm的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-2悬浮液膜上， 悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中，待纳米纤维布上层湿透，表明非织造布的 孔隙中已完全充满了悬浮液，揭起PI纳米纤维非织造布，在100℃下热烘10min， 升温至200℃热处理5min,使PTFE-NP纳米微球和氮化铝纳米颗粒间以及它们 与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯熔融而充分粘结形成有机/无机三元纳米复合多 曲孔膜。

(3)性能表征：所制备的PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安 全电池隔膜的厚度为25μm、拉伸强度为38MPa、断裂伸长率为38％、穿刺强 度为7.7N、在350℃下的热收缩率为0、多曲孔膜的孔隙率为41％、表面平均 孔径为420nm、在0.48bar压力下的透气性为102S、电击穿强度为35V/μm,离 子电导率为7.0×10^-3S·cm^-1。

实施例4：

一种有机/无机三元纳米复合膜材料，它以电纺聚酰亚胺(PI)纳米纤维非织造 布为基材，基材孔隙中填充有聚四氟乙烯纳米微球(PTFE-NP)和氮化铝纳米颗粒 (AlN-NP)，两者重量比为36/44；

其制备方法如下：

(1)聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液(PTFE-NP/ AlN-NP/H₂O-4)的配置：聚四氟乙烯纳米微球(直径主要分布在300nm)乳液 (固含量60wt％)60.0克、氮化铝纳米颗粒(主要粒径分布在800nm)44.0 克，聚丙烯酸铵0.4克，丙烯酸丁酯-丙烯酸异辛酯共聚物8.6克，蒸馏水273.0 克，一次性放入烧杯中，在每分钟8000转的转速下乳化，形成绝对粘度为 24mPa·S的聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒水基混合悬浮液(PTFE-NP/ AlN-NP/H₂O-4)。

(2)PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的制备：将 上面所配置的PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-4聚四氟乙烯纳米微球和氮化铝纳米颗粒 水基混合悬浮液在玻璃板上铺平形成厚度为35μm的悬浮液膜，然后将厚度为 19μm的电纺PI纳米纤维非织造布覆盖在PTFE-NP/AlN-NP/H₂O-4悬浮液膜 上，悬浮液渗进PI纳米纤维非织造布中，待纳米纤维布上层湿透，表明非织造 布的孔隙中已完全充满了悬浮液，揭起PI纳米纤维非织造布，在100℃下热烘 10min，升温至200℃热处理5min,使PTFE-NP纳米微球和氮化铝纳米颗粒间 以及它们与PI纳米纤维间通过聚丙烯酸酯熔融而充分粘结形成有机/无机三元纳 米复合多曲孔膜。

(3)性能表征：所制备的PTFE-NP/AlN-NP/PI三元纳米复合耐高温高安全 电池隔膜的厚度为20μm、拉伸强度为45MPa、断裂伸长率为38％、穿刺强度 为7.6N、在350℃下的热收缩率为0、多曲孔膜的孔隙率为45％、表面平均孔 径为820nm、在0.48bar压力下的透气性为28S、电击穿强度为40V/μm,离子 电导率为7.5×10^-3S·cm^-1。

以上实验材料和结果测试设备说明：

实验材料：

本发明的4个实验实例中使用的无机纳米粉料、PI纳米纤维非织造布、高 分子分散剂和高分子粘合剂等原料均通过商业渠道购买得到。

聚四氟乙烯纳米微球乳液、氮化铝纳米粉料系通过阿里巴巴销售平台和山 东晶鑫晶体科技有限公司及北京德科岛金科技有限公司购买；

电纺聚酰亚胺纳米纤维非织造布，由江西先材纳米纤维科技有限公司生产；

聚丙烯酸铵，购自山东淄博京和染料化工有限公司；

(二)实验结果测试与表征

本发明中4个实验实例的实验结果是通过以下仪器设备进行常规性测试和 表征。

聚合物溶液和纺丝液绝对粘度用NDJ-8S粘度计(上海精密科学仪器公司) 测定；

电纺纳米纤维的直径是用扫描电子显微镜VEGA3SBU(捷克共和国)测 定；

PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的热分 解温度用WRT-3P热失重分析仪(TGA)(上海精密科学仪器有限公司)测定；

PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的机械 性质(强度、断裂伸长等)用CMT8102微型控制电子万能试验机(深圳SANS 材料检测有限公司)测定；

PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的玻璃 化温度是使用Diamond动态机械分析仪(DMA)(Perkin-Elmer，美国)测定；

PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的孔隙 率是通过下列算式计算得到：

孔隙率β＝[1-(ρ/ρ_o)]×100

其中ρ为PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合多曲孔膜的密度(克 /cm³)，ρ_o为PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合实体薄膜(通过溶液浇 铸法制备)的密度(克/cm³)；

PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的透气 性及表面孔径是使用美国的Porometer3G透气性测试仪测定；

PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的离子 电导率是使用电化学工作站CHI660D(晨华仪器，中国上海)测定；

PTFE-NP/AlN-NP/PI有机/无机三元纳米复合耐高温高安全电池隔膜的电击 穿强度是用上海亨美电气有限公司的ZHZ8型耐压测试仪测定。