[發(fā)明專利]一種用于鋰金屬電池的復合隔膜及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202111407834.0
• 申請日: 2021-11-19
• 公開（公告）號: CN114256561A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許凱;宋璇;桂雪峰;林瓊;李東霞;林綺欣
• 申請（專利權(quán)）人: 國科廣化韶關(guān)新材料研究院;國科廣化精細化工孵化器（南雄）有限公司;國科廣化（南雄）新材料研究院有限公司;中科院廣州化學有限公司
• 主分類號: H01M50/446
• 分類號: H01M50/446;H01M50/449;H01M50/403;H01M10/052;H01M10/42
• 代理公司: 廣州市華學知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 陳文姬

本發(fā)明公開了一種用于鋰金屬電池的復合隔膜，以多孔纖維膜為基質(zhì)膜，乙烯基封端聚硅氧烷和含雙鍵的籠型倍半硅氧烷于基質(zhì)膜上交聯(lián)聚合形成有機無機雜化復合纖維膜。本發(fā)明還公開了上述用于鋰金屬電池的復合隔膜的制備方法。本發(fā)明的用于鋰金屬電池的復合隔膜，具備優(yōu)異的電解液浸潤性、高的孔隙率，而且在充放電過程中還能促進鋰金屬的均勻沉積，有效抑制鋰枝晶生長，提高鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰金屬電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于鋰金屬電池的復合隔膜及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著新能源汽車領(lǐng)域的飛速發(fā)展，電動出行趨勢日益明顯，未來對電池的需求越來越大。人們需要更廉價環(huán)保、更高容量和更長循環(huán)壽命的電池。而擁有較低的理論比容量(372mAh/g)和較差循環(huán)穩(wěn)定性的以石墨為負極的鋰離子電池體系越來越難以滿足人們的需求。因此，迫切需要開發(fā)具有更高能量密度的電池來代替鋰離子電池。近年來，由于鋰金屬具有較高的理論比容量(3860mAh/g)和低電極電勢(-3.04V vs SHE(Standard hydrogenelectrode))等特點，鋰金屬負極被認為是有希望的下一代高能量密度存儲設(shè)備之一，能夠滿足新興行業(yè)的嚴格要求。然而，直接使用金屬鋰也問題頗多，例如鋰枝晶的反復形成，會加速電解液的消耗，產(chǎn)生“死鋰”，從而導致電池過早失效；擴散的鋰枝晶可能會刺穿隔膜，導致電池內(nèi)部短路，引起電池起火甚至爆炸。這些缺點嚴重阻礙了鋰金屬電池的商業(yè)化。

針對鋰金屬電池面臨的諸多問題，研究人員已經(jīng)提出了定制負極結(jié)構(gòu)、優(yōu)化電解質(zhì)、建造人造界面和功能化中間層等多種策略，并顯著提高了LMBs的電化學穩(wěn)定性和安全穩(wěn)定性。如中國專利申請?zhí)朇N201910194183.8通過3D金屬骨架和復合在所述骨架中的金屬鋰得到了一種負極材料，其孔隙率可調(diào)，結(jié)構(gòu)可控且能顯著改善鋰金屬電池的循環(huán)壽命；中國專利申請?zhí)朇N202110308553.3將天然高分子溶液與合成高分子溶液所組成的混合溶液涂覆在隔膜的表面，公開了一種用于鋰金屬負極保護的隔膜涂層。李馳麟等使用甲氧基封端的聚硅氧烷與氫氧化鋰或氧化鋰原位接枝改性SEI,得到了一種性能優(yōu)異的鋰金屬電池(Adv.Funct.Mater.2019,1902220)。

然而這些策略仍然存在一些缺點：i)如定制負極結(jié)構(gòu)的方法需要額外的預沉積工藝來注入金屬鋰，難以在工業(yè)化中實現(xiàn)；ii)抑制鋰枝晶和電化學性能的相互匹配仍較難；iii)引入額外的特殊負極結(jié)構(gòu)、人造SEI層、保護層等不可避免地增加了電池內(nèi)阻并降低了電池的能量密度；iv)添加劑添加量少，在長期循環(huán)過程中不能持續(xù)；v)需在特定電解質(zhì)組成、高電解質(zhì)添加、較低的電流密度等特殊條件下實現(xiàn)。

相比于常用的穩(wěn)定鋰負極的方法，隔膜的制備可以在空氣中進行，具有工藝簡單、成本低廉等特點。而且，目前商用的聚烯烴隔膜，存在與電解液親液性差、孔隙率低、鋰離子遷移數(shù)低等缺點，因此，制備一種性能優(yōu)異的隔膜是形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面(Solidelectrolyte interphases,SEI)，促進長期循環(huán)性能和抑制鋰枝晶生長最有效、最方便的途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點與不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于鋰金屬電池的復合隔膜，通過采用乙烯基封端的聚硅氧烷和含雙鍵的籠型倍半硅氧烷在基質(zhì)膜表面上進行自由基聚合，得到3D交聯(lián)的聚硅氧烷雜化隔膜。這種功能性復合隔膜具有更加優(yōu)異的綜合性能，能有效抑制鋰枝晶生長，提高鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述用于鋰金屬電池的復合隔膜的制備方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種用于鋰金屬電池的復合隔膜，以多孔纖維膜為基質(zhì)膜，乙烯基封端聚硅氧烷和含雙鍵的籠型倍半硅氧烷于基質(zhì)膜上交聯(lián)聚合形成有機無機雜化復合纖維膜。

優(yōu)選的，所述多孔纖維膜為支撐骨架，乙烯基封端的聚硅氧烷和含雙鍵的籠形倍半硅氧烷交聯(lián)形成軟骨架。