[发明专利]一种类凝胶结构锂电隔膜、制备方法及全固态锂电池

说明书

本发明提供了一种类凝胶结构锂电隔膜、制备方法及全固态锂电池。该锂电隔膜包括上、下表面皮层、中间三维孔道层，及填充在所述皮层和三维孔道层中的离子导电功能材料，所述的皮层具有纳米级孔道结构，所述的三维孔道层具有高孔隙率和微米级孔道结构，所述的离子导电功能材料为高分子树脂和锂盐的混合物。本发明通过在高孔隙率三维孔道层上、下表面复合皮层，在保持较高离子导电能力的基础上，可改善隔膜的电解液保持能力，保证隔膜在剧烈机械运动下电解液不发生显著流动，保持类凝胶状态，有望应用于全固态锂离子电池，且本制备方法成本低、工艺简单，便于连续化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池用隔膜材料及锂电池的制备领域，具体涉及一种类凝胶结构锂电隔膜、制备方法及全固态锂电池。

背景技术

自从1991年SONY公司率先实现锂离子电池商业化后，锂离子电池逐渐从手机电池拓展到其它消费电子，并不断拓展至电动自行车、电动汽车、规模储能、航空航天等应用领域，且性能不断提升。但是对于能量密度越来越高的采用液态电解质的锂离子电池，尽管从材料、电极、电芯、模组、电源管理、热管理、系统设计等各个层面采取了多种改进措施，安全性问题依然很突出，热失控难以彻底避免。近年来，在新能源汽车领域不断报道的汽车起火、爆炸事故不断向人们敲响警钟，开发新型电池材料或新型电池成为迫在眉睫的严峻问题。

与液态锂离子电池不同，全固态锂离子电池采用固态电解质，有望从根本主解决电池安全性问题，是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。与传统电解液锂离子电池相比具有的优势有：(1)完全消除了电解液腐蚀和泄露的安全隐患，热稳定性更高；(2)不必封装液体，支持串行叠加排列和双极结构，提高生产效率；(3)由于固体电解质的固态特性，可以叠加多个电极；(4)电化学稳定窗口宽(可达5V以上)，可以匹配高电压电极材料。

对于固态电池来说，选用合适的固态电解质材料是电池设计的核心内容，一般对电解质的性能要求有以下：(1)具有高的室温电导率；(2)电子无法通过，锂离子能够通过；(3)电化学窗口宽；(4)热稳定性好、耐潮湿环境、机械性能优良。

目前，研究较多的聚合物固体电解质是PEO(聚环氧乙烷)及其衍生物络合锂盐类聚合物电解质。PEO类聚合物在较高的温度下也有很好的离子电导率，且加工性能好。但PEO类聚合物电解质也存在室温离子电导率低、与金属锂负极的相容性差等问题，同时存在机械强度低的问题。

发明内容

本发明针对传统PEO基固态电解质的电导率低、机械强度低等问题，从材料选取和结构设计等角度大胆创新，提供一种类凝胶结构锂电隔膜、制备方法及全固态锂电池。本发明通过在高孔隙率三维孔道层上、下表面复合皮层，在保持较高离子导电能力的基础上，可改善隔膜的电解液保持能力，保证隔膜在剧烈机械运动下电解液不发生显著流动，保持类凝胶状态。用本发明方法制备的锂电隔膜显示出较高的离子电导率和良好机械强度和极好的耐高温性。用本发明方法制备的全固态锂电池显示出较好循环充放电性能和循环性能，且安全性较传统液态锂离子电池显著提高。本发明隔膜材料的开发有望为全固态锂电池的技术进步提供促进作用，且本发明方法生产工艺简单、成本低、环境友好，可满足大规模工业化生产的需要。

本发明的一个目的在于提供一种锂电隔膜，所述隔膜包括上、下表面皮层、三维孔道层和离子导电功能填充材料；所述上、下表面皮层分别位于三维孔道层的上、下表面；所述上、下表面皮层和三维孔道层均具有孔道结构，所述离子导电功能填充材料位于所述孔道结构中。

具体的，所述隔膜还包括下述1)-13)所述中的至少一种：

1)上、下表面皮层的制备原料包括高分子树脂；具体的，上、下表面皮层的制备原料包括耐热高分子树脂；所述耐热包括高分子树脂的熔点高于150℃；再具体的，上、下表面皮层的制备原料包括聚偏氟乙烯树脂；

2)上、下表面皮层的孔道结构为微米和/或纳米级孔道结构；具体的，所述孔道结构的平均孔径范围为0.2微米-1.0微米；