[发明专利]一种锂离子电池高安全隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池高安全隔膜及其制备方法和应用，属于电化学电池隔膜技术领域。锂离子电池高安全隔膜的制备方法包括：将纳米弹性体与高分子材料混合均匀后加入造孔剂、塑化剂，加热得到混合物熔体，然后依次经挤出流延、双向拉伸、热定型后得到在高分子膜上分散着纳米弹性体的隔膜材料；隔膜材料上的纳米弹性体随着环境温度的升高体积逐渐膨胀，当达到一定温度时，膨胀的纳米弹性体致使隔膜的孔径逐渐变小，直至锂离子不能通过，电化学反应停止；当环境温度降低时，纳米弹性体逐渐收缩，隔膜纳米微孔逐渐恢复，电化学反应继续进行，最终实现“开关”孔隙的效果，有效提高锂离子电池在充放电过程中的安全性和可靠性。

技术领域

本发明涉及电化学电池隔膜技术领域，特别是涉及一种锂离子电池高安全隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池材料中除了正、负极、电解液外，隔膜材料同样是锂电池中不可缺少的关键材料之一，它的主要作用是将电池的正极和负极阻隔开，并能使锂离子在正负极之间自由传输通过。对于电池的安全性能来说，隔膜必须是非常好的绝缘体，同时对于电池的使用来说，隔膜必须有一定的孔道用来传输离子。因此，隔膜材料的质量好坏直接影响电池的安全性能及容量等。为了保证锂离子电池的装配和安全，需要锂电池隔膜具有一定的物理强度。

当锂离子电池发生过充或者外部短路时，其内部会发生剧烈的放热反应。当温度接近聚合物熔点时，隔膜的微孔熔融闭合，从而在内部阻断离子的传输，起到保护电池的作用。闭合温度和隔膜使用材质的熔点有关，通常聚乙烯材料的熔点为128到135℃之间，聚丙烯材料的熔点在150到165℃之间。当电池内部自热或外部短路使电池内部温度升高，超过闭合温度后，隔膜的热熔稳定继续上升从而造成隔膜大面积的破裂，使得电池完全短路。从锂电池的安全考虑，隔膜应具有较低的闭孔温度和较高的破膜温度。

目前大多数研究将重点放在隔膜的无机涂层上。无机涂层复合物隔膜也叫陶瓷复合膜，是以聚烯烃隔膜为支撑膜，如PE(聚乙烯)或者PP(聚丙烯)，在其表面涂覆一定厚度的具有耐高温性质的无机颗粒，如氧化铝(Al₂O₃)(Radiation Physics and Chemistry,2017,132:65-70)、氧化硅(SiO₂)(Journal of Membrane Science,2017,535:151-157)或者氧化锆(ZrO₂)(Journal of Power Sources,2018,376:184-190)等，形成一层陶瓷涂层。陶瓷复合膜除了具有很好的耐高温性能外，由于表面的无机颗粒具有较高的比表面积和表面能，特别容易被电解液所润湿，同时对电解液有非常好的保持效果。因此，陶瓷膜在最近几年发展非常迅速。

到目前为止，提升锂离子电池隔膜的安全性研究在国内外已经取得了一些成果，但是这些研究多集中在表面无机涂层涂覆改性和新的隔膜制备工艺等方面。新技术制备的隔膜在一定程度上提高了锂离子电池的电化学性能，但对电池安全性的提升效果有限。无机涂层虽然能够提高锂离子电池的安全性，但表面牢固性差，很容易造成隔膜表面涂层的脱落，同时一定程度上增加了隔膜的厚度，影响了锂离子电池性能发挥。此外，当环境温度达到隔膜闭孔温度时，隔膜完全闭孔，虽能起到保护电池，防止进一步恶化，但锂离子传输的通道已经关闭，锂离子电池无法继续工作，造成了浪费和经济损失。虽然科研人员做了大量的研究工作，但并未从根本上开发出一种具备高安全性的锂电池隔膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池高安全隔膜及其制备方法和应用，以解决上述现有技术存在的问题，通过将纳米弹性体与高分子颗粒按照一定的比例混合，经过制膜工艺，制备得到在高分子膜上分散着纳米弹性体的隔膜材料，该隔膜材料可以实现“开关”孔隙的效果，有效提高锂离子电池在充放电过程中的安全性和可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明的技术方案之一：一种锂离子电池高安全隔膜，由纳米弹性体和高分子膜组成，纳米弹性体分散在高分子膜内部；