[發(fā)明專利]陶瓷納米線電池隔膜

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201880097217.5
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN112654417B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張新杰;蔣葵陽
• 申請（專利權(quán)）人: 諾華瑞思公司;張新杰
• 主分類號: B01D71/02
• 分類號: B01D71/02
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 唐致明

本發(fā)明涉及包括陶瓷納米線，更具體地說，包括無機碳酸鹽納米線的新型電池隔膜。該新型陶瓷納米線隔膜適合用于鋰電池中，如鋰離子可充電電池、鋰金屬可充電電池和鋰硫可充電電池，并為所制造的可充電電池提供高安全性、高功率密度和長循環(huán)壽命。該電池隔膜包括陶瓷納米線，其可以任選地通過有機聚合物粘合劑結(jié)合在一起，和/或還可以包括有機納米纖維。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及包括陶瓷納米線，更具體地說，包括無機碳酸鹽納米線的新型電池隔膜。新型納米線隔膜適用于鋰電池，如鋰離子可充電電池、鋰金屬可充電電池和鋰硫可充電電池，并為制造的可充電電池提供高安全性、高功率密度和長循環(huán)壽命。本文所述的電池隔膜包括陶瓷納米線，其可以任選地通過有機聚合物粘合劑結(jié)合在一起，和/或可以進一步包括有機納米纖維。

背景技術(shù)

鋰離子電池(LIB)是便攜式消費電子設(shè)備(如手機、平板電腦和筆記本電腦)中使用的主流可充電電池。它們也正在成為各種電動車(EV)的優(yōu)選儲能選擇。鋰離子電池由陽極、陰極、電解質(zhì)和隔膜組成。電池隔膜是陽極和陰極之間的多孔薄膜。電池隔膜的基本功能是防止陽極和陰極之間的電子接觸，同時在電極之間實現(xiàn)充分的離子傳輸。電池隔膜會顯著影響可充電電池的安全性、能量密度、功率密度和循環(huán)壽命。電池中的電極接觸會產(chǎn)生高電流，從而產(chǎn)生高溫，并經(jīng)常導致災(zāi)難性的結(jié)果。所報道的手機、電動車到飛機的電池著火事件通常是因為陽極和陰極的接觸。

目前，商用LIB主要使用多孔聚合物膜作為電池隔膜。這些電池隔膜由聚烯烴膜制成，包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或其組合。這些聚合物隔膜在室溫下具有良好的電化學穩(wěn)定性和良好的機械強度，但熱穩(wěn)定性差。當暴露在高溫下時，這些聚合物隔膜表現(xiàn)出廣泛的熱收縮和顯著的結(jié)構(gòu)劣化，這可能引發(fā)LIB內(nèi)部短路，并導致電池著火或爆炸。此外，聚合物電池隔膜存在長期穩(wěn)定性和安全性問題。在制造過程中受到應(yīng)力的聚合物隔膜會隨著時間蠕變，以釋放其殘余應(yīng)力，并且隨著時間會經(jīng)歷非常緩慢的二次形態(tài)變化，這可能導致隔膜在長時間內(nèi)收縮、撕裂或形成針孔，并導致電池出現(xiàn)故障，還可能導致災(zāi)難性損壞。此外，由于充電/放電期間電極的體積發(fā)生變化，這些聚合物電池隔膜可能在陽極和陰極的夾層壓力下收縮或封閉其孔，并因此由于鋰離子的傳輸較慢而縮短可充電電池的循環(huán)壽命。因此，傳統(tǒng)的聚合物隔膜技術(shù)在滿足各種電動車應(yīng)用和電網(wǎng)能量儲存的日益嚴格的高安全性、長期穩(wěn)定性和長循環(huán)壽命要求方面存在許多困難。先進的電池隔膜在高溫下具有良好的機械和結(jié)構(gòu)完整性，可長期使用，并提供長的循環(huán)壽命，這正成為在EV和電網(wǎng)中廣泛采用LIB的關(guān)鍵要求。

陶瓷材料具有優(yōu)異的熱性能(長期熱穩(wěn)定性和高溫熱穩(wěn)定性)、優(yōu)異的機械性能和固有的化學穩(wěn)定性。陶瓷材料應(yīng)該是可以滿足各種電動車應(yīng)用的高安全性、長期穩(wěn)定性和長循環(huán)壽命要求的電池隔膜的構(gòu)件的最佳選擇。含有陶瓷材料的電池隔膜也可以為制造的可充電電池提供高溫操作穩(wěn)定性、高功率密度等。然而，制造薄的、柔性的、甚至可折疊的陶瓷多孔膜作為電池隔膜一直極具挑戰(zhàn)性。

陶瓷納米粒子材料已用于改善聚合物電池隔膜的高溫穩(wěn)定性。使用了兩種典型的方法。在第一種方法中，在加工過程中將陶瓷納米粒子直接分散到聚合物基體中，并且通過擠出方法形成復(fù)合隔膜。這一系列產(chǎn)品已由多家公司研究并開發(fā)，但尚未成為電池隔膜市場的主要競品。在第二種方法中，將陶瓷納米粒子涂覆到多孔聚合物支撐膜的表面上，形成雙層電池隔膜。該系列產(chǎn)品已逐漸成為純聚合物電池隔膜的替代品。這些由陶瓷納米粒子改性的聚合物隔膜表現(xiàn)出改善的熱性能，但程度有限。在高溫下，這些隔膜仍然表現(xiàn)出嚴重的收縮，因為這些隔膜的骨架仍然是聚合物網(wǎng)絡(luò)。