[发明专利]锂电池隔膜及其制备方法、及使用该隔膜的锂电池

说明书

本发明公开了锂电池隔膜及其制备方法、及使用该隔膜的锂电池。该电池隔膜上使用能够与锂固溶的纳米颗粒作为其异质形核位点，用于其与锂润湿性好，锂金属首先在改性的隔膜上均匀形核，然后在隔膜‑负极的方向上生长。制备方法不是抑制锂枝晶，而是将锂生长方向从负极到隔板反转到隔板到负极，阻止了锂枝晶穿透隔膜和正极接造成短路的可能，极大地提高了锂电池的安全性能，具有更强的容量保持能力。

【技术领域】

本发明属于能源电池领域，具体涉及锂电池隔膜及其制备方法、及使用该隔膜的锂电池。

【背景技术】

随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，人类对能源的需求不断增大。然而，商用锂离子电池中使用的常规石墨负极具有较低的理论容量(372mAh·g^-1)，因此迫切需要高能量密度的负极材料，以满足新兴高端能源设备的发展。因为锂金属具有3860mAh·g^-1的极高理论容量，比传统石墨负极高11倍以上，被认为是负极的“圣杯”材料。

然而，树枝状生长的锂是阻碍锂金属负极广泛应用的原因。这种锂金属的树枝状生长可能导致两个重要问题：(1)产生脆性和非均相固体电解质的中间相(SEI)；(2)电解质溶液和活性锂的损失导致库仑效率降低。一旦锂金属与电解质溶液接触，锂表面在副反应期间立即产生SEI膜，以获得其最低还原电位。由于产生的SEI膜的杨氏模量不足，难以抑制锂枝晶生长，锂枝晶可以突破脆弱的SEI，再次与电解质溶液接触。这个过程一遍又一遍地重复，消耗电解质溶液和活性锂金属，最终降低库仑效率。不可遏制的大块锂枝晶与正极接触，最终导致内部短路，从而导致火灾甚至爆炸等安全问题。因此，控制锂晶粒生长的过程，是解决问题的必要途径。

最近，研究人员已经开发出许多策略来处理锂金属枝晶生长问题，主要分为四个方面：(1)改善电解质溶液与锂金属负极之间的界面；(2)固体电解质溶液的利用；(3)新型锂金属结构的设计；(4)利用合金。然而，上面提到的所有这些策略都是基于人工SEI和3D主体的限制效应抑制树突的生长，很少从形核和晶粒生长的方面考虑，而锂枝晶的生长在热力学和动力学上都是自发的；另外液体电解质溶液系统中的非均匀电场也是锂形核不均的重要原因。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种锂电池隔膜及其制备方法、及使用该隔膜的锂电池。该方法在隔膜上使用能够与锂固溶的元素的纳米颗粒作为其异质形核位点，锂生长方向从负极到隔板反转成为从隔板到负极，阻止了锂枝晶穿透隔膜和正极接造成短路的可能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

锂电池隔膜，包括隔膜基底和纳米级形核位点，所述纳米级形核位点均匀的附着在隔膜基底上；纳米级形核位点为能够与锂固溶的元素的纳米级颗粒。

本发明的进一步改进在于：

优选的，能够与锂固溶的元素为镁、钙、锶、钛、钡、锆、铝、硅、锗、锡、锌、硒、铟、金或银中的任意一种。

优选的，隔膜基底为聚乙烯隔膜或聚丙烯微孔隔膜。

锂电池隔膜的制备方法，通过直流磁控溅射将能够与锂固溶的元素沉积在隔膜基底上，溅射时的靶材为能够与锂固溶的元素靶材。

优选的，直流磁控溅射过程中的本底真空度为(0.1～9.9)×10^-5Pa，工作气压为0.25～0.35Pa，能够与锂固溶的元素靶材的纯度≥99.99％。

优选的，直流磁控溅射过程中，靶极距为8～12cm，溅射温度为20～30℃，溅射时间为1～10min。

锂电池，由正极、隔膜、负极和电解质溶液组成，正极为附着有LiCoO₂的Al箔，负极为锂金属，电解液为LiPF₆、碳酸二甲酯和碳酸二乙酯的混合液，隔膜为上述任意一种锂电池隔膜，隔膜基底附着有纳米级形核位点的一侧朝向负极。