[发明专利]一种用作锂离子电池隔膜的多孔无机膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于化学电源领域，涉及锂离子二次电池关键材料与技术，具体涉及一种用作锂离子电池隔膜的多孔无机膜及其制备方法。

背景技术

随着化石燃料的消耗，对能量储存和转化设备的研究越来越引起人们的重视。锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长、自放电速率低等优点而成为最引人注目的二次电池。然而，动力电池和长期储能所需的大型设备要求锂离子电池具备高倍率性能、长时间稳定性能和高温性能等，这些都是锂离子电池发展亟待解决的问题。现有的商业化的锂离子电池广泛使用由聚烯烃和溶胶型电解液中的聚合物矩阵作为隔膜，然而这些有机隔膜通常存在熔点低、机械强度差等问题。聚合物隔膜在较高温度下（~100^oC）会出现明显扭曲变形，在大倍率下充放电和长时间循环过程中会被锂枝晶刺穿。因此，有机隔膜可能导致一些潜在的安全隐患。

无机材料具有优秀的热稳定性和电解液浸润性能，因此被广泛用于修饰聚合物隔膜。无机物材料修饰后的聚合物隔膜呈现更好的热力学稳定性，用其组装的电池有更好的性能。最近，为了进一步提高电池的热稳定性能，人们研究了以无机纳米陶瓷粉体为主要成分并添加有机物制备的无机隔膜。另一方面，已经有报道固体无机物电解质能够同时作为隔膜和电解质，但是，非液相的固体电解质与固相电极材料之间很难充分接触。在电池绕组组合体中，无机隔膜由于柔韧性差而未被使用。但是在柱状电池和其他刚性电池设计中，无机膜片作为隔膜是可行的，而且很有应用价值。相对于商业化的聚合物隔膜，无机隔膜有“绝对的”热稳定性、对电解液的吸附能力强、不会被锂枝晶刺穿等优点。由于无机隔膜材料的稳定性，用无机隔膜材料制备的大型的单电池将比由很多小电池组成的电池组有明显优越的性能。另外，纯无机物隔膜有可能用于设计三维电池。

本发明制备的多孔无机隔膜，具有电池组装需要的强度，作为电池隔膜的足够大的孔隙率。本发明制备多孔无机隔膜，并作为电池隔膜组装成电池，测试其电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用作锂离子电池隔膜的多孔无机膜及其制备方法。本发明使用相对廉价的原料，通过较为简单的设备和工艺，通过二次烧结制备一种用作锂离子电池隔膜的多孔无机膜，其对电解液的吸附性能更高、耐高温性能好，因此能显著提高电池的循环性能、倍率性能和高低温性能；产品均一、重复性好，对设备要求不高，成本低廉、性能优异。本发明的多孔无机膜用作锂离子电池隔膜，使得电池热稳定性和热安全性显著提高，同时浸润电解液的无机隔膜电导率远高于商业化的聚合物隔膜，从而使得电池具有更好的循环性能、倍率性能和高低温性能，并能有效提高电池的适用温度。

一种用作锂离子电池隔膜的多孔无机膜，其组成为：氧化铝、二氧化硅或氧化镁。

本发明还提供一种用作锂离子电池隔膜的多孔无机膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）将绝缘无机材料和造孔剂以1:10~10:1比例混合均匀，研磨，得到混合物粉体；

（2）将步骤（1）得到的混合物粉体放入模具中，在2~20MPa压力下压制成膜片；

（3）将步骤（2）得到的膜片在300~1600℃煅烧2~10h，冷却后在300~1600℃再次煅烧2~10h，冷却，得到活化后的膜片；

（4）将步骤（3）得到的活化后的膜片浸入去离子水中进行超声清洗1~10min，取出后再浸入乙醇中，同样的频率和功率下进行超声清洗1~10min，80℃真空干燥6~24h，得到多孔无机膜。

本发明步骤（1）中，所述绝缘无机材料为绝缘氧化物，包括氧化铝、氧化钙或氧化镁中的一种或两种；所述绝缘无机材料的尺寸为纳米级和/或微米级。

本发明步骤（1）中，所述造孔剂为乙二胺四乙酸、聚乙烯醇、炭黑或碳酸氢铵。

本发明步骤（4）中，所述超声清洗的频率为35~50kHz，功率为100W。

本发明还提供一种所述的多孔无机膜在锂离子电池隔膜中的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

（1）本发明的多孔无机膜高温热稳定、热安全性高，用作锂离子电池隔膜，使得电池热稳定性和热安全性显著提高，具有更好的高低温性能，并能有效提高电池的适用温度；

（2）本发明的多孔无机膜用作锂离子电池隔膜，吸附电解液能力强，浸润电解液的多孔无机隔膜电导率高，远高于现有的商业化的聚合物隔膜，从而使得电池具有更好的循环性能、倍率性能；

（3）本发明的产品均一性和重复性好，性能优异；