[发明专利]用于锂电池的复合隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用于锂电池的复合隔膜及其制备方法和应用，所述复合隔膜包含聚合物基材膜、位于所述聚合物基材膜一侧的硫化聚丙烯腈离子导电颗粒涂层以及位于所述聚合物基材膜另一侧的无机陶瓷颗粒涂层和/或聚合物修饰层。该聚合物陶瓷复合隔膜可以单独使用也可以和现有的锂离子电池功能添加剂联合使用，并通过化成过程原位在正负极两侧生成固态电解质，该复合隔膜可以有效的抑制锂枝晶的生长，抑制锂枝晶对隔膜的刺穿，阻挡锂枝晶达到正极侧，减少了金属锂与电解液之间进一步的化学反应，有效保护金属锂电极，提高了热稳定性，机械稳定性，安全性，适合应用于高能量密度锂离子电池、金属锂电池、复合金属锂电池。

技术领域

本发明涉及电化学和新能源材料技术领域，尤其涉及一种用于锂电池的复合隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，快速发展的电动汽车和储能行业对锂离子电池能量密度、成本、循环性和安全性提出了更高的要求。金属锂基电池被认为是下一代高能量密度锂电池体系，采用金属锂做负极能够将电池能量密度提高到300wh/kg，可以有效缓解电动汽车的里程焦虑。

金属锂作为负极的核心问题在于金属锂超高的化学反应活性、不匀匀的锂沉积以及较大的体积膨胀。高的化学反应活性导致金属锂容易与电解液反应，造成电解液的消耗；不均匀的锂沉积会导致锂枝晶的形成，枝晶容易刺穿隔膜造成短路，并且在脱锂时枝晶会从根部脱离，形成“死锂”，造成不可逆的容量损失；而较大的体积膨胀造成商业化应用的困难。

传统解决金属锂负极问题的方法是使用无机陶瓷固体电解质、聚合物电解质或者添加成膜添加剂。无机陶瓷固体电解质有较宽的电化学窗口、不挥发和不易燃的优点，可以有效杜绝金属锂和电解液的副反应，但是易碎、实用性不高；聚合物电解质有一定柔韧性，但是电导率低，内阻较大，尤其常温下性能较差；成膜添加剂可以在金属锂负极表面形成SEI，但是添加剂是消耗型溶剂，随着添加剂消耗尽，金属锂的不均匀沉积仍然会导致SEI破裂，枝晶继续生长。

发明内容

因此，针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种用于锂电池的复合隔膜及其制备方法和应用，该复合隔膜可以有效地抑制锂枝晶的生长，保护金属锂负极。

本申请发明人发现，在聚合物膜的负极侧涂覆硫化聚丙烯腈离子导电颗粒，在正极侧涂覆无机陶瓷颗粒或者聚合物修饰层，从而制得复合隔膜。该复合隔膜可以单独使用，也可以和现有的锂离子电池功能添加剂联合使用，并通过化成过程原位在正负极两侧生成固态电解质，有效的抑制锂枝晶的生长，保护金属锂负极。

一方面，本发明提供了一种用于锂电池的复合隔膜，其特征在于，所述复合隔膜包含聚合物基材膜、位于所述聚合物基材膜一侧的硫化聚丙烯腈离子导电颗粒涂层以及位于所述聚合物基材膜另一侧的无机陶瓷颗粒涂层和/或聚合物修饰层。

根据本发明提供的复合隔膜，其中，所述复合隔膜的厚度为3μm-100μm，优选为3-20μm，以及所述复合隔膜的孔隙率为2-70％。

根据本发明提供的复合隔膜，其中，所述硫化聚丙烯腈离子导电颗粒涂层、所述无机陶瓷颗粒涂层和聚合物修饰层各自独立地包含粘结剂。

根据本发明提供的复合隔膜，其中，所述粘结剂为选自羧甲基纤维、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、果胶、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺和聚丙烯酸锂中的一种或多种。

根据本发明提供的复合隔膜，其中，以各自涂层的重量计，所述粘结剂在所述硫化聚丙烯腈离子导电颗粒涂层、所述无机陶瓷颗粒涂层和聚合物修饰层的用量各自独立地为0.2-20wt％，优选为0.5-5wt％。

根据本发明提供的复合隔膜，其中，所述聚合物基材膜为选自聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚酰亚胺膜、聚醚酰亚胺膜、聚碳酸酯膜、聚芳纶膜、纤维素膜、聚醚醚酮膜和全氟磺酸醚膜中的任意一种。