高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质及制备方法

摘要

本发明涉及一种高热机械性能纳米复合POSS‑聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质及制备方法，利用纳米复合POSS‑聚丙烯酸酯溶液为涂覆液，利用浸渍涂覆法对商业聚烯烃隔膜进行涂覆改性。其中涂覆液原料组份为：纳米粒子0.3～0.8份，POSS‑聚丙烯酸酯1～5份，聚合物基体10份，溶剂190份。本发明提出的浸渍涂覆法制备的凝胶聚合物电解质复合隔膜具有良好的热稳定性、高的拉伸强度和断裂伸长率、较高的吸液率，本发明的凝胶聚合物电解质复合隔膜能够满足作为锂离子电池电解质隔膜对离子电导率的要求。

权利要求

1.一种高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质，其特征在于组份为：纳米粒子0.3～0.8份，POSS-聚丙烯酸酯为1～5份和聚合物基体10份；

所述纳米粒子为有机改性累托石、氧化石墨烯GO、纳米二氧化硅SiO2或它们的复合粒子；所述POSS-聚丙烯酸酯为POSS-聚甲基丙烯酸甲酯POSS-(PMMA)8或POSS-聚甲基丙烯酸乙酯POSS-(PEMA)8；所述聚合物基体为聚偏氟乙烯PVDF、聚甲基丙烯酸酯PMMA、聚丙烯腈PAN或它们的复合物。

2.根据权利要求1所述高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质，其特征在于：所述有机改性累托石、氧化石墨烯GO与纳米二氧化硅SiO2的复合粒子的比例为1:1:1。

3.根据权利要求1所述高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质，其特征在于：所述POSS-(PMMA)8或POSS-(PEMA)8的分子量为3000-9000。

4.根据权利要求1所述高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质，其特征在于：所述聚合物基体中聚偏氟乙烯PVDF、聚甲基丙烯酸酯PMMA和聚丙烯腈PAN的复合物的比例为1:1:1。

5.一种制备权利要求1～4任一项所述高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：将1～5份POSS-聚丙烯酸酯、0.3～0.8份纳米粒子和10份聚合物基体分别在60～70℃真空烘箱中干燥12～24h，采用聚合物溶剂进行减压蒸馏或蒸馏，并加 分子筛静置12h以上；

步骤2：将聚合物基体溶于190份溶剂中并于40℃搅拌形成聚合物溶液，再加入POSS-聚丙烯酸酯和纳米粒子继续加热搅拌，待杂化材料完全溶解得到浸渍液；

步骤3：将聚烯烃隔膜在浸渍于浸渍液中后取出，置于温度为30～50℃、湿度为40～

60％的箱体中成复合隔膜；再在室温条件下干燥24h；

步骤4：将复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯溶液中1～2h，得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质；所述碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯溶液的比例为1:1,V/V。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述溶剂为丙酮和N,N-二甲基甲酰胺，比例为19:171。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤3的聚烯烃隔膜在浸渍温度为25℃，浸渍时间为1h。

说明书

高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔

膜的凝胶电解质及制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于凝胶聚合物电解质制备技术领域，涉及一种高热机械性能纳米复合 POSS-聚丙烯酸酯改性聚烯烃凝胶电解质及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着社会经济与科学技术的飞速发展，能源危机及环境污染问题逐渐加剧，各国迫切希望利用大功率密度的动力新能源、储能设备等代替当前化石能源应用于驱动交通工具或作为固定式储能设备。锂离子电池具有环保、能量密度高、充放电性能好、无记忆性等优点，被广泛应用于日常各个领域。但是，锂离子动力电池还存在续航历程较短、长效稳定性较差等问题，难以大规模推广应用；与此同时，不断出现的锂离子电池质量问题及安全事故，使得锂离子电池的品质及安全性问题备受关注。隔膜作为锂离子电池的重要组成部分，材料种类、隔膜组成与隔膜形貌等均会对电池性能产生影响。目前工业上常用的隔膜材料是聚烯烃类隔膜，但是聚烯烃隔膜在温度达到 130℃或更高时会发生尺寸收缩、软化甚至熔化现象，导致隔膜体积剧烈收缩引起内部短路，从而引发灾难性的热失控。因此，提高隔膜的热尺寸稳定性和热熔化温度成为增加动力电池安全性的关键途径。对商业聚烯烃隔膜进行改性来增强电池隔膜的热稳定性和电解质综合性能、提高动力电池安全性能便是一种行之有效的方法，也是当前该领域研究的热点和难点之一。

[0003] 浸渍涂覆工艺具有原材料适用广泛、操作简单可行、条件易于控制等特点常用以获得改性复合隔膜，是当前制备改性复合隔膜、优化隔膜性能的较为有效的方法。目前浸渍涂覆法改性商业聚烯烃隔膜已有很多相关报道，许多研究者采用纳米粒子复合聚合物来涂覆改性聚烯烃隔膜；但是会存在纳米粒子分散不均甚至团聚、涂层与基膜的粘接性差等问题。另外，涂覆制备改性薄膜对隔膜的孔隙率可能造成影响，并有可能降低隔膜的导电性。笼型低聚倍半硅氧烷(POSS)是一类具有笼状结构的有机-无机杂化纳米材料，有机结构部分可以使其在聚合物中分子级别的分散，并与聚合物保持良好的界面作用；而无机Si-O-Si键组成的笼型核结构类似无机二氧化硅八面体笼形空腔结构，具有高的热、机械稳定性和孔隙率，故可以用POSS聚合物来改性聚烯烃隔膜，以解决粒子分散性差、易团聚的问题，而且可以实现与基底膜界面的良好粘接；通过控制成膜过程的湿度，利用呼吸图法所产生的微小水滴为模板，可以产生有序多孔结构，在一定程度上提高隔膜的孔隙率和吸液率，进而改善聚烯烃隔膜的热稳定性和力学性能，并提高其电性能。累托石/氧化石墨烯/SiO2等纳米材料具有良好的热、化学、力学稳定性及成本低廉的优势，近年来被广泛应用于隔膜的改性中。基于以上考虑，我们结合POSS聚合物和纳米材料的优势，采用纳米复合POSS聚合物为涂覆液，利用控制涂覆工艺湿度的方法涂覆改性商业聚烯烃隔膜，在保证电性能的前提下提高其热稳定性和安全性能。

发明内容

[0004] 要解决的技术问题

[0005] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性聚烯烃凝胶电解质及其制备方法，利用POSS-聚甲基丙烯酸酯 (POSS-(PMMA)8、POSS-(PEMA)8)和累托石、氧化石墨烯、SiO2或它们的复合粒子作为改性剂，采用浸渍涂覆法在一定湿度下改性聚烯烃隔膜制备具有丰富多孔结构的凝胶聚合物电解质，提高其热机械性能并保持良好的电性能。

[0006] 技术方案

[0007] 一种高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质，其特征在于组份为：纳米粒子0.3～0.8份，POSS-聚丙烯酸酯为1～5份和聚合物基体10份。

[0008] 所述纳米粒子为有机改性累托石、氧化石墨烯GO、纳米二氧化硅SiO2或它们的复合粒子。

[0009] 所述机改性累托石、氧化石墨烯GO与纳米二氧化硅SiO2的复合粒子的比例为 1:1:1。

[0010] 所述POSS-聚丙烯酸酯为POSS-聚甲基丙烯酸甲酯POSS-(PMMA)8或POSS-聚甲基丙烯酸乙酯POSS-(PEMA)8。

[0011] 所述POSS-(PMMA)8或POSS-(PEMA)8的分子量为3000-9000。

[0012] 所述聚合物基体为聚偏氟乙烯PVDF、聚甲基丙烯酸酯PMMA、聚丙烯腈PAN或它们的复合物。

[0013] 所述聚合物基体为聚偏氟乙烯PVDF、聚甲基丙烯酸酯PMMA和聚丙烯腈PAN 复合的比例为1:1:1。

[0014] 一种制备所述高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯涂覆改性聚烯烃隔膜的凝胶电解质的方法，其特征在于步骤如下：

[0015] 步骤1：将1～5份POSS-聚丙烯酸酯、0.3～0.8份纳米粒子和10份聚合物基体分别在60～70℃真空烘箱中干燥12～24h，采用聚合物溶剂进行减压蒸馏或蒸馏，并加 分子筛静置12h以上；

[0016] 步骤2：将聚合物基体溶于190份溶剂中并于40℃搅拌形成聚合物溶液，再加入 POSS-聚丙烯酸酯和纳米粒子继续加热搅拌，待杂化材料完全溶解得到浸渍液；

[0017] 步骤3：将聚烯烃隔膜在浸渍于浸渍液中后取出，置于温度为30～50℃、湿度为 40～60％的箱体中成复合隔膜；再在室温条件下干燥24h；

[0018] 步骤4：将复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/碳酸丙烯酯溶液中1～2h，得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质；所述碳酸乙烯酯 /碳酸丙烯酯溶液的比例为1:1,V/V。

[0019] 所述溶剂为丙酮和N,N-二甲基甲酰胺，比例为19:171。

[0020] 所述步骤3的聚烯烃隔膜在浸渍温度为25℃，浸渍浸渍时间1h。

[0021] 有益效果

[0022] 本发明提出的一种高热机械性能纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性聚烯烃凝胶电解质及其制备方法，利用纳米复合POSS-聚丙烯酸酯溶液为涂覆液，利用浸渍涂覆法对商业聚烯烃隔膜进行涂覆改性。其中涂覆液原料组份为：纳米粒子0.3～0.8份，POSS- 聚丙烯酸酯1～5份，聚合物基体10份，溶剂190份。本发明提出的浸渍涂覆法制备的凝胶聚合物电解质复合隔膜具有良好的热稳定性、高的拉伸强度和断裂伸长率、较高的吸液率，本发明的凝胶聚合物电解质复合隔膜能够满足作为锂离子电池电解质隔膜对离子电导率的要求。

[0023] 本发明中，加入的杂化材料和纳米粒子不但避免了聚合物基体中无机纳米颗粒分散性差的问题，并可有效提高复合隔膜的热稳定性；同时，浸渍涂覆制备的复合隔膜具有机械性能好、安全性高的特点。本发明的复合隔膜能够满足作为锂离子电池电解质隔膜对离子电导率的要求。本发明制成的杂化材料改性的复合隔膜，能够满足锂离子电池对于电解质隔膜的性能要求。

附图说明

[0024] 图1：POSS-(PMMA)8的结构图

[0025] 图2：本发明的浸渍涂覆制备锂离子电池凝胶聚合物电解质的制备工艺流程[0026] 图3：复合隔膜的扫描电子显微镜图片(A-H分别对应实施案例1-8所得复合隔膜)[0027] 图4：复合隔膜的吸液率图(A-H分别对应实施案例1-8所得复合隔膜)具体实施方式

[0028] 现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

[0029] 实施实例1：反应流程图如图2所示

[0030] 步骤1：浸渍涂覆前将PVDF、POSS-(PMMA)8和累托石置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0031] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF质量的10％称取POSS-(PMMA)8、PVDF质量的3％称取累托石并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0032] 步骤3：将商业聚乙烯隔膜(PE)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为30℃、湿度为40％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0033] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0034] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。

[0035] 实施实例2：

[0036] 步骤1：浸渍涂覆前将PVDF、POSS-(PEMA)8和累托石置于60℃真空烘箱中干燥 24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0037] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF质量的10％称取POSS-(PEMA)8、PVDF质量的3％称取累托石并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0038] 步骤3：将商业聚丙烯隔膜(PP)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为35℃、湿度为45％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0039] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0040] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。

[0041] 实施实例3：

[0042] 步骤1：浸渍涂覆前将PMMA、POSS-(PMMA)8和GO置于60℃真空烘箱中干燥 24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0043] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PMMA质量的30％称取POSS-(PMMA)8、PMMA质量的 5％称取GO并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0044] 步骤3：将商业聚乙烯隔膜(PE)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为40℃、湿度为50％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0045] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0046] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。

[0047] 实施实例4：

[0048] 步骤1：浸渍涂覆前将PMMA、POSS-(PEMA)8和GO置于60℃真空烘箱中干燥 24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0049] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PMMA质量的30％称取POSS-(PEMA)8、PMMA质量的 5％称取GO并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0050] 步骤3：将商业聚丙烯隔膜(PP)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为45℃、湿度为55％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0051] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0052] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。

[0053] 实施实例5：

[0054] 步骤1：浸渍涂覆前将PAN、POSS-(PMMA)8和SiO2置于60℃真空烘箱中干燥 24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0055] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PAN质量的50％称取POSS-(PMMA)8、PAN质量的7％称取SiO2并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0056] 步骤3：将商业聚乙烯隔膜(PE)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为50℃、湿度为60％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0057] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0058] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。

[0059] 实施实例6：

[0060] 步骤1：浸渍涂覆前将PAN、POSS-(PEMA)8和SiO2置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0061] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PAN质量的50％称取POSS-(PEMA)8、PAN质量的7％称取SiO2并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0062] 步骤3：将商业聚丙烯隔膜(PP)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为30℃、湿度为40％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0063] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0064] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。

[0065] 实施实例7：

[0066] 步骤1：浸渍涂覆前将PVDF、PMMA、PAN、POSS-(PMMA)8和累托石、GO、 SiO2置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0067] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF/PMMA/PAN质量的10％称取POSS-(PMMA)8、PVDF/PMMA/PAN质量的8％称取累托石/GO/SiO2(1:1:1)并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0068] 步骤3：将商业聚乙烯隔膜(PE)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为40℃、湿度为50％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0069] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0070] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。

[0071] 实施实例8：

[0072] 步骤1：浸渍涂覆前将PVDF、PMMA、PAN、POSS-(PEMA)8和累托石、GO、 SiO2置于60℃真空烘箱中干燥24h，聚合物溶剂DMF进行减压蒸馏并加 分子筛静置12h以上；

[0073] 步骤2：按照19:171:10质量比例称取DMF、丙酮和PVDF于40℃水浴锅加热搅拌形成聚合物溶液，再按照PVDF/PMMA/PAN质量的10％称取POSS-(PEMA)8、 PVDF/PMMA/PAN质量的8％称取累托石/GO/SiO2(1:1:1)并与上述聚合物溶液共混，加热搅拌至其溶解完全得到浸渍液；

[0074] 步骤3：将商业聚丙烯隔膜(PP)浸渍于步骤2所得的浸渍液中一定时间后取出，置于温度为50℃、湿度为60％的箱体中成膜；再在室温条件下干燥24h；

[0075] 步骤4：步骤3所述浸渍涂覆的参数为浸渍温度25℃、浸渍时间1h；

[0076] 步骤5：将步骤3中所得复合隔膜浸泡到0.8～1.2mol/L的LiClO4的碳酸乙烯酯/ 碳酸丙烯酯(EC/PC,1:1,V/V)溶液中1～2h，即得到纳米复合POSS-聚丙烯酸酯改性的凝胶聚合物电解质。