固态隔膜的制造设备及方法技术

本发明专利技术提供了固态隔膜的制造设备及方法，首先，采用水热反应合成功能化的PPS固态隔膜粉料；然后，混入聚四氟乙烯粉体在混料机中混合均匀，经粉料处理系统进行纤维化之后，随气流被吹入固气分离塔中，利用气锤吹震到下方的收料桶；纤维化粉料加入到高速剪切机进行二次纤维化，再利用螺杆挤出机挤出呈多条连续的粗条或连续厚饼，并进入卧式冷辊压机进行一次减薄，经加热输送导轨边加热边上料到卧式热辊压机中进行二次减薄、收卷，制成成品的固态隔膜。该固态隔膜具有以下特点：(1)孔隙率低；(2)电导率高；(3)离子迁移数高；(4)离子选择性强；(5)离子整流作用明显，有效抑制金属负极枝晶。有效抑制金属负极枝晶。有效抑制金属负极枝晶。

【技术实现步骤摘要】
固态隔膜的制造设备及方法


[0001]本专利技术涉及固态隔膜的制造设备及方法，属于新能源材料领域。

技术介绍

[0002]国家大力发展新能源产业，自锂电池问世后，电动汽车、移动通信、物联网等行业迅速发展，但目前的锂电池体系已经难以满足人们对于能量密度和生产成本的需求。以金属基为负极的新型电池应运而生，如锂金属电池、锌金属电池、钠金属电池、镁金属电池、铝金属电池等，金属电池具有能量密度大，功率密度高，成本低的优势，但是金属基负极容易产生枝晶，特别是采用传统的多孔隔膜，在靠近负极的表面的隔膜孔隙内部阳离子的耗尽而产生浓差极化，会诱导枝晶生长，并且产生枝晶会沿着孔隙生长直到电池短路；另外，商用多孔隔膜没有离子选择特性，因此在电化学反应过程中，正极产生的有害离子会由于多孔隔膜的穿梭效应进入到负极，产生大量副反应，恶化金属负极性能，导致电池失效；再次，现有的PP基和PE基商用多孔隔膜耐高温能力差，高于120度就会发生变形收缩，导致金属电池微短路后，形成更大面积短路的发生，电池产生热失控。因此，市场上急需针对金属基电池的无孔固态隔膜，并且该隔膜具有离子选择性，可以就具有高的金属离子的电导率，对质子、阴离子等有阻隔作用，以提高金属电池的性能。

技术实现思路

[0003]为克服上述缺陷，本专利技术提供一种固态隔膜的制造设备及方法，所制备的固态隔膜具有极低孔隙率，高室温阳离子电导率，高阳离子迁移系数，高离子选择透过性，可以有效阻止质子和阴离子的穿梭，并且对阳离子在负极的沉积起到整流层的作用，有效避免了金属负极枝晶的形成，提高了金属电池的循环性能。
[0004]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0005]固态隔膜的制造设备，其特征在于，包括粉料处理系统、高速剪切机、螺杆挤出机、卧式冷辊压机、卧式热辊压机，
[0006]所述粉料处理系统包括依次连通的空压机、储气罐、冷干机、干燥吸附塔、净化柱，以及空气预热系统、粉料加热系统、超音速剪切混料机、气固分离塔；超音速剪切混料机具有半封闭型腔，所述净化柱的出气口与超音速剪切混料机的半封闭型腔的进气口连通，且空气预热系统设置在净化柱与超音速剪切混料机之间的空气管路上；所述粉料加热系统设置在超音速剪切混料机半封闭型腔的下料口处；所述超音速剪切混料机半封闭型腔的出料口通过管道与气固分离塔连通，气固分离塔的上部设有出气口、底部设有出料口、中部设有气锤进气孔；
[0007]经粉料处理系统处理的粉料被送入高速剪切机，经剪切后进入螺杆挤出机，所述卧式冷辊压机、卧式热辊压机依次设置在螺杆挤出机的下游，且卧式冷辊压机与卧式热辊压机之间设置加热输送导轨。
[0008]进一步地，所述干燥吸附塔的数量为多个，多个干燥吸附塔并联设置，分别与冷干
机出气口、净化柱进气口连通；所述气锤的气体来源为净化柱后的干燥压缩空气旁路，通过间歇式释放压缩空气实现气锤功能。
[0009]固态隔膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010](1)制粉：
[0011]将金属氯化物A溶解在去离子水中制成溶液B，四氯对苯醌与聚苯硫醚粉料混合制成混合粉体C，将溶液B与混合粉体C混合成浆料D，浆料D装入密闭反应釜中，进行水热反应，反应结束后粉料清洗呈中性烘干，制成粉料E。
[0012](2)纤维化：
[0013]将聚四氟乙烯粉体和粉料E在混料机中混合均匀至粉料F，混合过程在聚四氟乙烯呈玻璃态的温度条件下进行；
[0014]干燥的大气环境空气G经过空压机压缩，冷干，干燥吸附，净化，预热后，通过喷管，进入半封闭型腔，被加速到超音速，形成极干燥空气的超音速射流H。
[0015]粉料F经过预热加入到半封闭型腔中，被极干燥空气的超音速射流H摩擦剪切，粉料F中的聚四氟乙烯的分子链延展打开，同F中的粉体形成物理粘连，且不发生化学反应，获得粉料I；
[0016]粉料I随气流被吹入固气分离塔中，分离塔内部有除尘滤芯，用以分离固体分料和气体，气体直接排出，滤芯上的粘附粉料被气锤吹震到下方的收料桶里；
[0017](3)制膜：
[0018]粉料I加入到高速剪切机中，进行二次纤维化，出料后进入到螺杆挤出机中，挤出呈多条连续的粗条或连续厚饼J，并进入到卧式冷辊压机进行一次减薄，减薄后进入到加热输送导轨中，边加热边上料进入到卧式热辊压机中，进行二次减薄，并切去两边缘，制成成品的固态隔膜L，并收卷。切边料K回收后加入到高速剪切机中进行回用。
[0019]进一步地，所述制粉工艺中的金属氯化物为氯化锂、氯化钠、氯化锌、氯化镁、氯化铝中的一种或几种的混合物；所述的聚苯硫醚粉料为交联态高结晶聚苯硫醚粉料，结晶度>60％，粉料的D50为3
‑
25μm；所述的金属氯化物，去离子水，四氯对苯醌，聚苯硫醚的质量比为0
‑
3:3
‑
30:0.1
‑
0.75:5
‑
15；所述的水热反应釜内的气氛为空气或氩气，所述水热反应温度为150
‑
250℃，所述水热反应时间为1
‑
4小时，水热反应的体积填充率为20％
‑
70％。
[0020]进一步地，所述纤维化过程中，干燥大气环境空气G，其室温25℃下相对湿度(RH)<10％；所述的空压机的功率至少大于等于15kW，连续化生产优选30kW以上；所述的极干燥空气的超音速射流H，其露点低于
‑
40℃；所述干燥吸附过程为，采用多个内含分子筛的干燥吸附塔，分子筛总重>200kg，多个干燥吸附塔交替工作和再生，交替时间为3
‑
12分钟。
[0021]进一步地，所述纤维化过程中，进入喷管前的空气预热温度为30
‑
60℃。
[0022]进一步地，所述纤维化过程中，进入半封闭型腔中粉料F的预热温度为40
‑
220℃。
[0023]进一步地，所述制膜过程，多条连续的粗条或连续厚饼J，其形状由螺杆挤出机挤压头模具决定，连续粗条的直径和连续厚饼的厚度在3
‑
12mm。
[0024]进一步地，所述制膜过程，所述卧式冷辊压机的辊面温度为
‑
10
‑
30℃；所述一次减薄后的厚度为0.3
‑
1.5mm。
[0025]进一步地，所述制膜过程，所述加热输送导轨的温度为90
‑
150℃；所述卧式热辊压机的辊面温度为110
‑
160℃；所述二次减薄后的厚度为5
‑
60μm。
[0026]所述固态隔膜的制造方法。
[0027]与现有技术相比，本专利技术所述的方法制备的固态隔膜具有以下特点：(1)孔隙率低；(2)电导率高；(3)离子迁移数高；(4)离子选择性强；(5)离子整流作用明显，有效抑制金属负极枝晶。
[0028]本专利技术中聚苯硫醚(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.固态隔膜的制造设备，其特征在于，包括粉料处理系统、高速剪切机、螺杆挤出机、卧式冷辊压机、卧式热辊压机，所述粉料处理系统包括依次连通的空压机、储气罐、冷干机、干燥吸附塔、净化柱，以及空气预热系统、粉料加热系统、超音速剪切混料机、气固分离塔；超音速剪切混料机具有半封闭型腔，所述净化柱的出气口与超音速剪切混料机的半封闭型腔的进气口连通，且空气预热系统设置在净化柱与超音速剪切混料机之间的空气管路上；所述粉料加热系统设置在超音速剪切混料机半封闭型腔的下料口处；所述超音速剪切混料机半封闭型腔的出料口通过管道与气固分离塔连通，气固分离塔的上部设有出气口、底部设有出料口、中部设有气锤进气孔；经粉料处理系统处理的粉料被送入高速剪切机，经剪切后进入螺杆挤出机，所述卧式冷辊压机、卧式热辊压机依次设置在螺杆挤出机的下游，且卧式冷辊压机与卧式热辊压机之间设置加热输送导轨。2.根据权利要求1所述的固态隔膜的制造设备，其特征在于，所述干燥吸附塔的数量为多个，多个干燥吸附塔并联设置，分别与冷干机出气口、净化柱进气口连通；所述气锤的气体来源为净化柱后的干燥压缩空气旁路，通过间歇式释放压缩空气实现气锤功能。3.固态隔膜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制粉：将金属氯化物A溶解在去离子水中制成溶液B，四氯对苯醌与聚苯硫醚粉料混合制成混合粉体C，将溶液B与混合粉体C混合成浆料D，浆料D装入密闭反应釜中，进行水热反应，反应结束后粉料清洗呈中性烘干，制成粉料E；(2)纤维化：将聚四氟乙烯粉体和粉料E在混料机中混合均匀至粉料F，混合过程在聚四氟乙烯呈玻璃态的温度条件下进行；干燥的空气G经过空压机压缩、冷干、干燥吸附、净化、预热后，通过喷管，进入半封闭型腔，被加速到超音速，形成极干燥空气的超音速射流H；粉料F经过预热加入到半封闭型腔中，被极干燥空气的超音速射流H摩擦剪切，粉料F中的聚四氟乙烯的分子链延展打开，同F中的粉体形成物理粘连，且不发生化学反应，获得粉料I；粉料I随气流被吹入固气分离塔中，分离塔内部有除尘滤芯，用以分离固体粉料和气体，气体直接排出，滤芯上粘附的粉料被气锤吹震到下方的收料桶里；(3)制膜：粉料I加入到高速剪切机中，进行二次纤维化，出料后进入到螺杆挤出机中，挤出呈多条连续的粗条或连续厚饼J，并进入到卧式冷辊压机进行一次减薄，减薄后进入到加热输送导轨中，边加热边上料进入到卧式热辊压机中，进行二次减薄，并切去两边缘，制成成品的固态隔膜L，并收卷。4.根据权利要求3所述的固态隔膜的制造方法，其特征在于：所述制粉工艺中的金属氯化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：周海涛，万连露，韩家城，高宏权，伍建春，侯栋，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：