[發明專利]功能化隔離膜及鋰金屬電池

有效

• 申請號: 201910682442.1
• 申請日: 2019-07-26
• 公開（公告）號: CN112310559B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 劉成勇;郭永勝;范銓;張濤;梁成都;楊軍
• 申請（專利權）人: 寧德時代新能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M50/449
• 分類號: H01M50/449;H01M50/491;H01M10/052
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 段月欣

本發明公開了一種功能化隔離膜及鋰金屬電池，功能化隔離膜包括多孔基材以及設置于多孔基材至少一側的功能膜層；功能膜層包含無機粒子，無機粒子能與金屬鋰發生可逆反應形成鋰合金。采用本發明提供的功能化隔離膜，能改善金屬鋰電極表面性質、抑制鋰枝晶的生成，從而提高鋰金屬電池的首次庫倫效率、循環性能及安全性能。

技術領域

本申請屬于儲能裝置技術領域，具體涉及一種功能化隔離膜及鋰金屬電池。

背景技術

金屬鋰的理論比容量(3860mAh/g)遠高于當前廣泛應用的石墨負極材料的理論比容量(372mAh/g)，且金屬鋰的電極電位低至-3.04V(vs.H₂/H⁺)。因此，以金屬鋰作為負極材料的鋰金屬電池有望成為下一代高能量密度儲能裝置。然而，鋰金屬電池在充電過程中容易產生鋰枝晶，這不僅會降低電池的庫倫效率及循環壽命，甚至會造成鋰枝晶穿透隔離膜引發正負極發生內短路，引起電池爆炸、起火等安全事故。鋰枝晶問題嚴重阻礙了鋰金屬電池的商業化應用。

發明內容

鑒于背景技術中存在的問題，本發明提供一種功能化隔離膜及鋰金屬電池，旨在抑制鋰金屬電池中鋰枝晶的生成，以改善鋰金屬電池的首次庫倫效率、循環性能及安全性能。

為了達到上述目的，本發明第一方面提供一種功能化隔離膜，功能化隔離膜包括多孔基材以及設置于多孔基材至少一側的功能膜層；功能膜層包含無機粒子，無機粒子能與金屬鋰發生可逆反應形成鋰合金。

本發明第二方面提供一種鋰金屬電池，鋰金屬電池包括：正極片；負極片，包括鋰基金屬層；隔離膜，該隔離膜為采用本發明第一方面的功能化隔離膜，且功能膜層與鋰基金屬層接觸設置；以及電解液。

相對于現有技術，本發明至少具有以下有益效果：

本發明提供的功能化隔離膜包括功能膜層，功能膜層包含無機粒子，無機粒子能與金屬鋰發生可逆反應形成鋰合金。當功能化隔離膜用于鋰金屬電池且功能膜層與鋰金屬接觸時，在電解液作用下，無機粒子與金屬鋰發生可逆反應原位形成鋰合金，從而改變了金屬鋰電極表面的鋰組成。鋰合金的形成能夠調控鋰離子沉積/溶出的行為，有效抑制鋰金屬電極枝晶的生長，有利于提高鋰金屬電極中鋰離子沉積/溶出過程的可逆性。由此，采用本發明的功能化隔離膜，能改善鋰金屬電池的首次庫倫效率、循環性能及安全性能。

進一步地，還可以在無機粒子的至少部分表面包覆有聚合物包覆層，包覆層中含有與鋰離子進行可逆鍵合的基團。該基團與鋰合金發生原位反應，進行其與鋰離子的可逆鍵合，提高了包覆層與無機粒子的結合牢度。由此，包覆層能更好地抑制鋰合金在電池充放電過程中的體積變化。并且，包覆層的基團與鋰離子原位形成的化學鍵還可以作為鋰離子傳遞的通道，能促進鋰離子的傳遞，改善金屬鋰電極中的動力性能。這樣的功能化隔離膜能進一步提高鋰金屬電池的首次庫倫效率、循環性能及安全性能。

進一步地，功能膜層還可以包括聚合物離子液體。聚合物離子液體的結構中含有正電荷基團和負電荷基團。正電荷基團能和聚合物包覆層的與鋰離子進行可逆鍵合的基團相互作用，使聚合物離子液體與包覆層的聚合物進行物理交聯，從而提高功能膜層的強度和耐電解液性。負電荷基團有利于加強鋰離子正電荷的傳遞速率，降低阻抗和過電位。這樣的功能化隔離膜能進一步提高鋰金屬電池的首次庫倫效率、循環性能及安全性能。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對本發明實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例一種功能化隔離膜的結構示意圖。

圖2為圖1中功能膜層的局部放大示意圖。

附圖標記說明：

1：多孔基材；2：功能膜層；21：聚合物離子液體；22：復合粒子；221：無機粒子；222：聚合物包覆層。