[发明专利]一种电池隔膜材料及其制备方法

说明书

本发明属于超薄隔膜材料技术领域，公开了一种电池隔膜材料及其制备方法，利用耐高温聚合物纤维和相应的溶剂，制备得到聚合物薄膜的湿凝胶；利用金属盐、有机配体和相应的溶剂，配置得到MOF的合成溶液；将聚合物薄膜的湿凝胶和MOF的合成溶液置于不锈钢高压釜中，在高温下进行水热合成；将水热合成产物经冷却、洗涤和干燥，制备得到聚合物/MOF复合膜材料。本发明利用聚合物/MOF复合隔膜，有助于锂离子在锂金属表面上的均匀沉积，从而消除了树枝状锂的生长和短路的可能性；采用耐高温聚合物，实现了MOF原位水热法合成得到复合材料的合成方法，显著改善了锂金属电池的循环稳定性，在循环300之后，普遍保持80％以上的容量。

技术领域

本发明属于超薄隔膜材料技术领域，尤其涉及一种电池隔膜材料及其制备方法。

背景技术

目前，随着各种更轻、更薄、更小的便携式电子设备甚至电动汽车的快速发展，人们对锂电池的的能量密度提出了越来越高的要求。使用超薄隔膜可以有效降低电池的总重量和体积。但是超薄隔膜(10μm)在重量/体积密度方面优于传统隔膜(20μm)。然而，随着隔膜厚度的降低，锂枝晶更容易穿透。因此，用超薄隔膜组装的锂离子电池往往电池容量衰减更快。此外，超薄隔膜的耐热性和电解质吸纳能力都大幅下降，同时安全风险也被提高。

超薄隔膜通常也不适用于锂金属电池(LMB)，负极的锂枝晶更容易地穿透超薄隔膜，导致更快的电池衰减和更严重的安全隐患。

为了克服上述挑战，应用于高比能量电池，以及LMB的电池隔膜，需要具有厚度薄，但韧性更高的特点，以防止锂枝晶刺穿。此外，还应具有适当的电解质吸纳能力。由于金属有机框架(MOF)具有特殊的亚纳米级结构，在过去的几年中，已被频繁研究用于锂离子电池和锂金属电池。据报道，MOF的多孔结构可容纳液体电解质，而亚纳米级通道/窗口有助于锂离子在锂金属表面上的均匀沉积，从而消除了树枝状锂的生长和短路的可能性。将超薄隔膜与MOF相结合，为解决超薄隔膜的固有缺陷提供了相当大的潜力。然而，在柔性多孔膜表面，特别是在超薄多孔膜表面上制备厚度可控的均匀无裂纹MOF膜是一项长期挑战。

将MOF与柔性多孔膜(例如，聚丙烯和聚丙烯)结合的典型方式是在柔性多孔PP或PE隔膜的表面直接刮涂MOF颗粒，MOF颗粒是通过典型的水热或溶剂热方法合成的，然后通过与粘结剂混合涂布到PP或PE隔膜的表面。然而，在MOF合成和随后的涂布过程中，存在一些明显的固有缺陷。传统的水热或溶剂热合成工艺通常需要使用密封、加压的环境、升高的反应温度(100至200℃)和较长的反应时间(通常为数小时到数天)。在涂布过程中，需要额外的粘合剂将MOF颗粒粘结在一起。然而，在MOF颗粒成功地涂覆在PP或PE表面之后，也存在一些长期缺陷。例如，由于使用粘合剂，涂覆在PP或PE上的MOF层会增加隔膜的厚度，并且充满裂缝和间隙。相应地，MOF涂覆的PP隔膜或PE通常是脆性的，并且会增加重量。

容易想到的另外一种复合方法是将隔膜直接加入到MOF合成体系中，使MOF在隔膜的孔隙中原位结晶生长，但是如前所述，MOF合成需要升高的反应温度(100℃至200℃)，在这个温度下，传统隔膜会出现严重的热收缩而失效，因此这个方法对于传统的PP或PE隔膜并不可行。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)涂覆在PP或PE上的MOF层会增加隔膜的厚度，并且充满裂缝和间隙；MOF涂覆的PP或PE隔膜通常是脆性的，并且会增加重量。

(2)如果使用传统的隔膜材料，则无法采用原位生长而非涂布的方式合成MOF和隔膜的复合材料，因为MOF的溶剂热合成工艺通常需要使用密封、加压的环境、升高的反应温度(100℃至200℃)和较长的反应时间(通常为数小时到数天)，而传统隔膜无法耐受这样高温，会出现严重的热收缩而失效。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电池隔膜材料及其制备方法。