[发明专利]一种复合陶瓷隔膜及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种海泡石复合陶瓷隔膜，还涉及该种复合陶瓷隔膜在锂离子电池等化学电源体系的应用。

背景技术

锂离子电池作为一种能量密度高、输出电压高、无记忆效应、循环性能优异、环境友好的化学电源体系，具有很好的经济效益、社会效益和战略意义，已被广泛应用于移动通讯、数码产品等各个领域，并极有可能成为储能和电动汽车领域最主要的电源系统。

在锂离子电池中，隔膜主要起到防止正负极接触并允许离子传导的作用，是电池重要的组成部分。目前，商品化的锂离子电池中采用的主要是具有微孔结构的聚烯烃类隔膜材料，如聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)的单层或多层膜。由于聚合物本身的特点，虽然聚烯烃隔膜在常温下可以提供足够的机械强度和化学稳定性，但在高温条件下则表现出较大的热收缩，从而导致正负极接触并迅速积聚大量热，尽管诸如PP/PE复合隔膜可以在较低温度(120℃)首先发生PE熔化阻塞聚合物中的微孔，阻断离子传导而PP仍起到支撑的作用防止电极反应的进一步发生，但是由于PP的熔解温度也仅有150℃，当温度迅速上升，超过PP的熔解温度，隔膜熔解会造成大面积短路并引发热失控，加剧热量积累，产生电池内部高气压，引起电池燃烧或爆炸。电池内部短路是锂离子电池安全性的最大隐患。为了满足大容量锂离子电池发展的需要，开发高安全性隔膜已成为行业的当务之急。在这其中，陶瓷隔膜优异的耐温性和高安全性使其成为取代传统聚烯烃隔膜的主要选择之一。

陶瓷隔膜(Ceramic-coated Separators)是在现有的聚烯烃微孔膜基材的表面上，单面或双面涂布一层均匀的、由陶瓷微颗粒等构成的保护层，形成多孔性的安全性功能隔膜。在保证聚烯烃微孔隔膜原有基本特性的基础上，赋予隔膜高耐热功能，降低隔膜的热收缩性，从而更有效地减少锂离子电池内部短路，防止因电池内部短路而引起的电池热失控。

由于聚烯烃膜为疏水材料，和强极性的电解液亲和能力差，聚烯烃膜无法快速吸收电解液及有效保持电解液，这会极大影响聚烯烃膜在锂离子电池中的使用性能且存在漏液风险。目前，陶瓷隔膜的制备方式主要是将陶瓷粉体(主要是纳米或亚微米的氧化物粉末，如Al₂O₃、SiO₂、TiO₂等)、粘结剂等分散在溶剂中形成浆料，再通过流延法或浸渍法在聚烯烃隔膜基材表面形成陶瓷涂层(参见Journal of Power Sources 195(2010)6192–6196、CN200580036709.6CN200780035135.X等)。陶瓷涂层将改善陶瓷粉体与隔膜基材的亲和能力、并改善聚烯烃膜在锂离子电池中的使用性能。然而，现有陶瓷涂层由于陶瓷粉体以颗粒状存在，需要粘结剂的作用，且容易掉粉，其热稳定性能不佳，仍然存在一定的漏液风险。

发明内容

本发明通过将纤维束状海泡石分散于阴离子表面活性剂中经解束得到纤维状海泡石，制备了一种纤维状海泡石为陶瓷基体的复合陶瓷隔膜，用于提高隔膜应力和热稳定性。

本发明的一个目的是提供一种以表面活性剂解束的海泡石纤维为陶瓷基元复合陶瓷隔膜，所述复合陶瓷隔膜包括聚合物隔膜基材以及形成于所述聚合物隔膜基材表面的陶瓷层，所述陶瓷层的厚度为500nm-10μm；所述陶瓷层包括海泡石纤维，所述海泡石纤维的直径为100nm-500nm、长度为500nm-5μm；所述复合陶瓷隔膜通过以下方法制得：

提供质量比为1％-30％的阴离子表面活性剂、40-90％的分散剂和5％-30％的纤维束状海泡石，将所述阴离子表面活性剂加入到所述分散剂中混合均匀，加入所述纤维束状海泡石超声后，继续磁力搅拌2～5h以使纤维束状海泡石解束成纤维状，得到陶瓷浆液，所述陶瓷浆液通过涂布或浸渍于所述聚合物隔膜基材表面形成所述陶瓷层，干燥后即得到所述复合陶瓷隔膜。

优选的，所述陶瓷层的厚度为300nm-30μm。

优选的，所述聚合物隔膜基材既可以是商品化的聚烯烃类多孔聚合物膜(如聚乙烯或聚丙烯的单层或多层复合膜)、无纺布，也可以是应用于二次电池聚合物电解质的聚合物材料，如聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、聚乙烯醇、聚酰亚胺等，并包括由以上体系衍生的共混、共聚体系，如丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯共聚物等。

优选的，所述阴离子表面活性剂是磺酸盐、羧酸盐、硫酸酯盐、磷酸酯盐中的至少一种。

优选的，所述阴离子表面活性剂是木质素磺酸钠。