[發明專利]以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜及其在鋰離子電池中的應用

在審

• 申請號: 201710147195.6
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106784558A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 趙金保;張鵬
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M10/0525
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及鋰離子電池隔膜，尤其是涉及以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜及其在鋰離子電池中的應用。

背景技術

鋰離子電池作為一種能量密度高、輸出電壓高、無記憶效應、循環性能優異、環境友好的化學電源體系，具有很好的經濟效益、社會效益和戰略意義，已被廣泛應用于移動通訊、數碼產品等各個領域，并極有可能成為儲能和電動汽車領域最主要的電源系統。

在鋰離子電池中，隔膜主要起到防止正負極接觸并允許離子傳導的作用，是電池重要的組成部分。目前，商品化的鋰離子電池中采用的主要是具有微孔結構的聚烯烴類隔膜材料，如聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)的單層或多層膜。由于聚合物本身的特點，雖然聚烯烴隔膜在常溫下可以提供足夠的機械強度和化學穩定性，但在高溫條件下則表現出較大的熱收縮，從而導致正負極接觸并迅速積聚大量熱。盡管諸如PP/PE復合隔膜可以在較低溫度(120℃)首先發生PE熔化阻塞聚合物中的微孔，阻斷離子傳導而PP仍起到支撐的作用防止電極反應的進一步發生，但是由于PP的熔解溫度也僅有150℃，當溫度迅速上升，超過PP的熔解溫度時，隔膜熔解會造成大面積短路并引發熱失控，加劇熱量積累，產生電池內部高氣壓，引起電池燃燒或爆炸。電池內部短路是鋰離子電池安全性的最大隱患。為了滿足大容量鋰離子電池發展的需要，開發高安全性隔膜已成為行業的當務之急。在這其中，陶瓷隔膜優異的耐溫性和高安全性使其成為取代傳統聚烯烴隔膜的主要選擇之一。

陶瓷隔膜(Ceramic-coated Separators)是在現有的聚烯烴微孔膜的表面上，單面或雙面涂布一層均勻的、由陶瓷微顆粒等構成的保護層(幾個微米)，形成多孔性的安全性功能隔膜。在保證聚烯烴微孔隔膜原有基本特性的基礎上，賦予隔膜高耐熱功能，降低隔膜的熱收縮性，從而更有效地減少鋰離子電池內部短路，防止因電池內部短路而引起的電池熱失控。

目前，陶瓷隔膜的制備方式主要是將陶瓷粉體(主要是納米或亞微米的氧化物粉末，如Al₂O₃、SiO₂、TiO₂等)、粘結劑等分散在溶劑中形成漿料，再通過流延法或浸漬法在聚烯烴隔膜表面形成陶瓷涂層(參見文獻：Journal of Power Sources.2010，195，6192-6196；中國專利CN200580036709.6、中國專利CN200780035135.X等)。但是，由于陶瓷粉體比表面能較大，易于團聚，且其表面一般為親水特性，而聚烯烴膜為疏水材料，因此，從研究報道來看，陶瓷粉體涂布的均勻性較差，存在明顯的“掉粉”現象，這會極大的影響陶瓷隔膜在鋰離子電池中的使用性能。

發明內容

為了解決現在技術存在的以上問題，本發明的第一目的在于提供以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜。

本發明的另一目的在于提供所述以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜在電池中的應用。

所述以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜以氣凝膠作為陶瓷粉體，所述陶瓷粉體涂布在隔膜上形成陶瓷隔膜。

所述氣凝膠可選自二氧化硅、三氧化二鋁、二氧化鈦、二氧化鋯、氧化鋅、二氧化錫、氧化鈣、氧化鎂等中的至少一種；所述隔膜材料可采用聚烯烴類多孔聚合物膜、無紡布、應用于二次電池聚合物電解質的聚合物材料等中的一種，所述聚烯烴類多孔聚合物膜可選自聚乙烯或聚丙烯的單層或多層復合膜，所述應用于二次電池聚合物電解質的聚合物材料可選自聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚乙烯醇等中的一種，或聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚乙烯醇等衍生的共混、共聚體系，所述共混、共聚體系可采用丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯共聚物等；所述陶瓷粉體涂布在隔膜上的厚度可為0.5～20μm，所述涂布可在隔膜上單面涂布或雙面涂布。

所述以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜可在電池中應用。所述電池包括非水電解液二次電池等；所述電池包括正極材料、負極材料和以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜，所述以氣凝膠為粉體的陶瓷隔膜設在正極材料和負極材料之間。