[发明专利]一种具有立体复合结构的隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有立体复合结构的隔膜及其制备方法和应用，该具有立体复合结构的隔膜，包括有机隔膜基材，在该有机隔膜基材表面单面或双面涂覆陶瓷层，该隔膜还包括横纵向同时贯穿于该有机隔膜基材以及该陶瓷层孔隙和表面的连续聚合物层，该连续聚合物层将该有机隔膜基材和该陶瓷层连为一体；该连续聚合物层是将经陶瓷层涂覆的有机隔膜基材在聚合物溶液中浸渍或是将聚合物溶液喷淋或刮涂于经陶瓷层涂覆的有机隔膜基材上形成的。本发明具有立体复合结构的隔膜综合性能优异，具有很好的创新性和实用性，具有良好的产业化应用前景。

技术领域

本发明属于新能源技术领域，应用于电池、电容等产品，具体涉及一种具有立体复合结构的隔膜及其制备方法。更具体地，本发明包含具有陶瓷涂层，并具有横纵向同时贯穿于有机隔膜基材和陶瓷层孔隙和表面的连续聚合物层的，具有立体复合结构的隔膜。本发明还涉及该种具有立体复合结构的隔膜在锂离子电池等化学电源体系的应用，以及含该隔膜的电池。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池，由正极、负极、隔膜、电解液组成，正负极浸润在电解液中，锂离子以电解液为介质在正负极之间运动，实现电池的充放电。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。作为现代高性能电池的代表，锂离子电池由于具备较高的能量密度和良好的循环性能等优点，在便携式设备中已经获得了极其广泛的应用。

由于具备高的能量密度和良好的循环性能，没有记忆效应等优点，锂离子电池在便携式设备中已经获得了极其广泛的应用。然而，其在更大规模的应用领域，特别是在动力电池以及电网储能等领域的应用，对锂离子电池的能量密度和功率密度，以及安全性能提出了更高的要求。

锂离子电池的安全性主要取决于所使用的电解质材料和电极材料的性质，而对于目前的锂离子电池，在某种程度上来说电池中的隔膜起到至关重要的作用。

隔膜是置于电池正负极之间的多微孔薄膜，离子可以自由通过，同时隔断正负极的直接接触。目前，各大电池生产商所使用的隔膜材料主要是聚烯烃类的多孔聚合物薄膜。使用这种隔膜材料的大型锂离子电池在滥用状态时(内部局部短路、外部短路、过充等)，易于诱导电池内部高温。由于聚烯烃的熔融温度较低(聚乙烯约130℃，聚丙烯160℃)，在高温下易发生热收缩，进而造成电池内部大面积短路，加剧热量积累，产生电池内部气压增高，引起电池燃烧或爆炸。

因此，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。其中陶瓷涂覆改性隔膜可以充分拉开隔膜闭孔温度(Shutdown)和熔融温度之间的温度差，其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。

陶瓷涂覆隔膜(或称陶瓷隔膜)是在聚烯烃隔膜的单面或双面涂布以氧化物如Al₂O₃、SiO₂等为代表的无机陶瓷材料所形成的一种复合隔膜材料。陶瓷涂覆隔膜的使用可以有效阻止隔膜的热收缩，提高锂离子电池的安全性能。

然而，受限于陶瓷层中的粘结剂成分以及陶瓷层相对差的成膜特性，陶瓷涂层对隔膜的热收缩性能的提升是相对有限的。比如，就已有的研究结果表明，以聚乙烯为基膜时，普遍当温度高于140℃，隔膜都会发生明显的热收缩。并且，随着温度的升高，聚烯烃基膜融化后，隔膜的机械性能大幅下降，发生破膜，甚至无法支撑成膜。显然，这无法满足需要高安全性的应用的需求。因此，研发具有高安全性的隔膜是本领域所要解决的重要技术问题。

发明内容

针对现有技术中陶瓷隔膜存在的问题，本发明旨在提供一种在陶瓷隔膜的基础上研发的具有立体复合结构的隔膜材料。本发明的具有立体复合结构的隔膜具有极其优异的热稳定性和机械性能，非常适合需要高安全特性的应用场景。同时，本发明成本可控，制备过程操作简单，适合大规模生产。

本发明的另一个目的在于提供一种含有上述具有立体复合结构的隔膜的锂离子电池。