[發明專利]用于鋰電池的復合隔膜及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201810551284.1
• 申請日: 2018-05-31
• 公開（公告）號: CN108832060A
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發明（設計）人: 彭佳悅;李泓;陳立泉
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M2/14;H01M10/0525;H01M10/052
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 郭廣迅

本發明公開了一種用于鋰電池的復合隔膜及其制備方法和應用，所述復合隔膜包含聚合物基材膜、位于所述聚合物基材膜一側的硫化聚丙烯腈離子導電顆粒涂層以及位于所述聚合物基材膜另一側的無機陶瓷顆粒涂層和/或聚合物修飾層。該聚合物陶瓷復合隔膜可以單獨使用也可以和現有的鋰離子電池功能添加劑聯合使用，并通過化成過程原位在正負極兩側生成固態電解質，該復合隔膜可以有效的抑制鋰枝晶的生長，抑制鋰枝晶對隔膜的刺穿，阻擋鋰枝晶達到正極側，減少了金屬鋰與電解液之間進一步的化學反應，有效保護金屬鋰電極，提高了熱穩定性，機械穩定性，安全性，適合應用于高能量密度鋰離子電池、金屬鋰電池、復合金屬鋰電池。

技術領域

本發明涉及電化學和新能源材料技術領域，尤其涉及一種用于鋰電池的復合隔膜及其制備方法和應用。

背景技術

近年來，快速發展的電動汽車和儲能行業對鋰離子電池能量密度、成本、循環性和安全性提出了更高的要求。金屬鋰基電池被認為是下一代高能量密度鋰電池體系，采用金屬鋰做負極能夠將電池能量密度提高到300wh/kg，可以有效緩解電動汽車的里程焦慮。

金屬鋰作為負極的核心問題在于金屬鋰超高的化學反應活性、不勻勻的鋰沉積以及較大的體積膨脹。高的化學反應活性導致金屬鋰容易與電解液反應，造成電解液的消耗；不均勻的鋰沉積會導致鋰枝晶的形成，枝晶容易刺穿隔膜造成短路，并且在脫鋰時枝晶會從根部脫離，形成“死鋰”，造成不可逆的容量損失；而較大的體積膨脹造成商業化應用的困難。

傳統解決金屬鋰負極問題的方法是使用無機陶瓷固體電解質、聚合物電解質或者添加成膜添加劑。無機陶瓷固體電解質有較寬的電化學窗口、不揮發和不易燃的優點，可以有效杜絕金屬鋰和電解液的副反應，但是易碎、實用性不高；聚合物電解質有一定柔韌性，但是電導率低，內阻較大，尤其常溫下性能較差；成膜添加劑可以在金屬鋰負極表面形成SEI，但是添加劑是消耗型溶劑，隨著添加劑消耗盡，金屬鋰的不均勻沉積仍然會導致SEI破裂，枝晶繼續生長。

發明內容

因此，針對現有技術中所存在的上述問題，本發明提供了一種用于鋰電池的復合隔膜及其制備方法和應用，該復合隔膜可以有效地抑制鋰枝晶的生長，保護金屬鋰負極。

本申請發明人發現，在聚合物膜的負極側涂覆硫化聚丙烯腈離子導電顆粒，在正極側涂覆無機陶瓷顆粒或者聚合物修飾層，從而制得復合隔膜。該復合隔膜可以單獨使用，也可以和現有的鋰離子電池功能添加劑聯合使用，并通過化成過程原位在正負極兩側生成固態電解質，有效的抑制鋰枝晶的生長，保護金屬鋰負極。

一方面，本發明提供了一種用于鋰電池的復合隔膜，其特征在于，所述復合隔膜包含聚合物基材膜、位于所述聚合物基材膜一側的硫化聚丙烯腈離子導電顆粒涂層以及位于所述聚合物基材膜另一側的無機陶瓷顆粒涂層和/或聚合物修飾層。

根據本發明提供的復合隔膜，其中，所述復合隔膜的厚度為3μm-100μm，優選為3-20μm，以及所述復合隔膜的孔隙率為2-70％。

根據本發明提供的復合隔膜，其中，所述硫化聚丙烯腈離子導電顆粒涂層、所述無機陶瓷顆粒涂層和聚合物修飾層各自獨立地包含粘結劑。

根據本發明提供的復合隔膜，其中，所述粘結劑為選自羧甲基纖維、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、果膠、聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺和聚丙烯酸鋰中的一種或多種。

根據本發明提供的復合隔膜，其中，以各自涂層的重量計，所述粘結劑在所述硫化聚丙烯腈離子導電顆粒涂層、所述無機陶瓷顆粒涂層和聚合物修飾層的用量各自獨立地為0.2-20wt％，優選為0.5-5wt％。

根據本發明提供的復合隔膜，其中，所述聚合物基材膜為選自聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚酰亞胺膜、聚醚酰亞胺膜、聚碳酸酯膜、聚芳綸膜、纖維素膜、聚醚醚酮膜和全氟磺酸醚膜中的任意一種。