[发明专利]高安全性隔膜材料及其制备方法和应用

说明书

本发明主要应用于电池领域，具体涉及一种高安全性电池隔膜及其制备方法，更具体地，本发明涉及通过在微孔隔膜基材的孔隙表面预先通过原子层沉积技术沉积一层无机氧化物，再通过表面改性在无机氧化物表面接枝电压敏感的有机单体形成的高安全性电池隔膜的制备方法，本发明还涉及由上述方法得到的高安全性电池隔膜及其在锂离子电池等化学电源体系的应用。本发明高安全性隔膜不仅具有较高的高温维度稳定性，也具有防止电池过充电的功能，并具有良好的离子传导性能，可以提高电池倍率性能。本发明制备过程操作简单，非常适合大规模生产应用。

技术领域

本发明属于新能源，应用于电池等领域，具体涉及一种高安全性电池隔膜及其制备方法，更具体地，本发明涉及通过在微孔隔膜基材的孔隙表面预先通过原子层沉积技术沉积一层无机氧化物，再通过表面改性在无机氧化物表面接枝电压敏感的有机单体形成的高安全性电池隔膜的制备方法，本发明还涉及由上述方法得到的高安全性电池隔膜及其在锂离子电池等化学电源体系的应用。

背景技术

目前，采用液体电解液的化学电源体系如锂离子电池等需要采用隔膜材料阻隔正、负极，避免短路。隔膜材料主要是以聚乙烯(Polyethylene,PE)、聚丙烯(Polypropylene,PP)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)等为主要成分的含有微孔结构的聚合物膜或无纺布。由于聚合物本身的特点，虽然聚烯烃隔膜等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，进一步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。在聚合物中引入高耐热的无机物是解决聚合物类隔膜材料高温维度稳定性不佳的重要措施，诸如包括陶瓷涂覆隔膜等解决方案都取得较好的应用。但是，陶瓷层的涂覆会显著增加隔膜的厚度和质量，从而降低电池的能量密度。

在电池的使用过程中，还存在过充电导致的安全问题。在过充电发生时，正极材料会在电压驱动下发生一系列的副反应，造成自身结构的不可逆变化和活性材料的分解，并产生大量氧气和热量，并进一步造成电解液的氧化与电池热失控的发生，同时在负极侧，过充电则会造成锂金属的沉积和锂枝晶的生长，锂枝晶有可能会刺穿隔膜造成正负极直接接触导致电池内部短路剧烈放热，且锂枝晶会不断与电解液反应而使稳定负极表面的固态电解质界面膜不断增厚增加电池内阻加剧焦耳热的产生，过充电也会造成电池内部热失控，从而引发严重的安全事故。

电位敏感单体是当电池处于过充电状态时，正极电位迅速上升，达到单体的聚合电位时发生电氧化聚合。根据生成的聚合物导电能力的不同，可在电池过充电时形成断路和短路两种保护机制。断路机制是生成的高阻抗聚合物膜将封闭正极活性表面和隔膜微孔，阻碍电极反应，增大电池内阻，从而造成电池断路,将充电过程强制结束。短路机制是生成的聚合物有一定的导电性，在电池内部形成电子导电通道，造成电池内部微短路，消耗外部充电电流，防止电池电压失控。在现有技术中，电位敏感单体往往作为添加剂添加在电解液中。可以看到，其实际功能仅需在电池内部的离子传导通道上发挥即可，当作为添加剂随电解液在电池内部随机分布时，则可能会造成电池性能的下降。

原子层沉积(Atomic Layer Deposition,ALD)是一种可以将物质以单原子膜形式一层层的镀在基底表面的方法。通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器在沉积基体上化学吸附并反应形成沉积膜。在原子层沉积过程中，新一层原子膜的化学反应是直接与之前一层相关联的，这种方式使每次反应只沉积一层原子。因此，原子层沉积技术由于其沉积参数的高度可控型(厚度、成分和结构)，优异的沉积均匀性和一致性以及超薄的厚度使得其在微纳电子和纳米材料等领域具有广泛的应用潜力，并成为材料精确制备的一种有效手段。

发明内容