[发明专利]一种用于锂电池的复合隔膜

说明书

本发明公开了一种用于锂电池的复合隔膜，适用于锂离子电池或金属锂电池。该复合隔膜是由基底层和无机锂离子导体层复合而成；所述无机锂离子导体层采用在20℃～120℃的温度下，锂离子导率大于1.0×10^‑8S cm^‑1的无机锂离子导体材料；无机锂离子导体材料是以颗粒状、柱状、管状和线状中的一种或几种形式存在于基底层上。基底层提供基本隔膜骨架，锂离子导体层可诱导锂离子均匀沉积，并提高隔膜的力学性能与热稳定性。本复合隔膜制备方法简单，可有效抑制由锂离子分布不均引发的锂枝晶生长，大大提高电池在宽温度范围内的循环效率与安全性。配合高容量正负极材料，可提高锂电池的循环寿命、能量密度与安全性，推动产业化进程。

技术领域

本发明涉及一种新型锂电池用复合隔膜，可用于锂离子电池与金属锂电池。

背景技术

随着现代电子工业的不断进步，储能设备的应用范围越来越广。电池作为电化学储能设备，广泛应用于便携智能设备、电动汽车等多个领域。在众多电极材料中，锂密度极低、容量极高、电化学电势极低，锂电池得到广泛应用。从上世纪以来，锂离子电池商品化程度日益增加，其多采用磷酸铁锂、钴酸锂等为正极材料，石墨为负极材料。其能量密度高、自放电低、无记忆效应，在交通工具、日常生活、医学、甚至空间探索等领域都用途广泛，经过近二十年的发展，得到了工业界普遍认可。

近年来，电子设备的迅猛发展对电池容量密度提出了更高的要求。现有的基于石墨负极的锂离子电池其理论能量密度，难以满足逐渐增长的社会需求。在下一代电池体系中，金属锂负极具有极高的容量密度(3860mAh g^-1)与最低的电极电势(-3.040V vs.标准氢电极)，被认为是储能器件领域的圣杯。

在二次锂电池中，锂离子在正负极间反复转运。锂离子电池在快速充放电或过度充电时，在负极可能被还原，形成金属锂枝晶。金属锂电池中可逆沉积锂，易由于锂离子不均匀分布，产生枝晶生长。枝晶生长不仅降低电池循环效率，部分枝晶可能刺穿隔膜，还带来安全隐患。

不论是已商业化的锂离子电池还是下一代高容量金属锂电池，都由正负极材料、电解质、隔膜组成。传统隔膜的作用体现在阻隔电子，防止短路，并导通锂离子。隔膜的锂离子传导能力直接关系到电池性能。因此，发展既耐高温，又能促进锂离子均匀分布，抑制枝晶生长的隔膜，是发展高安全性高能量锂离子电池与金属锂电池的关键。

目前，锂电池隔膜的研究主要集中于制造耐高温、高强度的隔膜，针对促进锂离子均匀分布隔膜设计十分有限。耐高温隔膜，例如CN102230257B采用纯聚合物材料，不涉及无机材料。利用聚酰亚胺与含氟聚合物复合，前者具有高机械强度与耐热性能，后者可浸润电解液，保证离子导通。 CN101562243B使用静电纺丝方法，将通用工程树脂与聚芳醚纤维混合电纺，使其具有良好的耐受高温性能。CN102367172B提出将高分子量聚乙烯与不具有锂离子导通能力的二氧化硅共混，经过造粒、改性、熔融、挤出、拉伸、热定型，得到可透过锂离子的聚烯烃微孔隔膜，热收缩率低于 5％.不具有锂离子传导能力的无机填料的引入可提升聚合物热稳定性，例如相关专利 CN101714619B、CN101687404B、CN101714619B等。高强度的隔膜，例如CN102140762B采用纯聚合物材料，将聚氨酯与聚合物树脂复合为网络结构，增加孔隙率。与聚合物树脂单组分多孔膜相比，其力学性能提升三倍以上。

虽然上述研究思路可以提升锂电池隔膜的高温稳定性与力学性能，但对于引导服役电池中锂离子均匀分布的作用有限。而锂离子均匀分布是抑制枝晶生长，高效、安全使用锂离子电池与金属锂电池的重要前提。因此，设计一种新型锂电池复合隔膜，不仅具有良好的力学性能与热稳定性，还可引导锂离子均匀分布，是提高锂离子电池与金属锂电池安全性与循环性能的关键。

发明内容

本发明目的在于提升锂离子电池与金属锂电池的循环性能与安全性。通过引入新型复合隔膜，诱导锂离子均匀分布，在电极表面均匀分布，抑制枝晶生长。在较高温度下保持良好的热稳定性，提升锂离子电池与金属锂电池的循环稳定性。