[发明专利]一种改性隔膜、制备方法及在锂离子电池中的应用

说明书

本发明涉及一种改性隔膜、制备方法及在锂离子电池中的应用。本发明公开了一种改性隔膜及其制备方法和应用，包括依次连接隔膜层和改性涂层，所述改性涂层由聚偏氟乙烯和硅氧烯颗粒复合形成，所述硅氧烯颗粒为纳米颗粒和/或微米颗粒。将该改性隔膜用于锂电池，隔膜的改性侧面向锂金属负极。本发明利用硅氧烯和丙烯酸与锂金属的反应，在锂负极界面原位形成稳定的界面保护层，消除锂金属负极与电解液的副反应，最终抑制锂枝晶的生长，实现均匀的锂沉积，最终显著提高了电池的库伦效率，延长了电池的循环寿命，降低了不可控锂枝晶持续生长引起安全问题的可能性。

技术领域

本发明属于锂电池隔膜材料技术领域，具体涉及一种硅氧烯/聚偏氟乙烯改性隔膜、所述改性隔膜的制备方法及其在制备锂离子电池中的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

为了跟上电动汽车、智能电网级储能设备和便携式电子设备的快速发展，迫切需要高能量密度和满足续航时间的电池。锂金属具有高能量密度、低工作电位和低密度的优点，被认为是最理想的负极材料。然而，由于锂的不均匀沉积和易碎的SEI膜的反复破坏/重建，产生的不可控且有害的锂枝晶生长可能导致库伦效率低、循环性能的快速衰减，甚至隔膜被击穿，从而引发严重的安全问题。隔膜作为锂电池中的关键部分，能够直接影响电池的运行功率和安全性。目前商用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)隔膜对电解液的润湿性差，表面分布着大小不均匀的孔，不利于调节锂离子流的均匀分布和锂离子的均匀沉积，也不足以阻止有害的垂直锂枝晶生长。并且传统商用隔膜还存在在高温时容易收缩引起短路，从而引发安全性问题。为了提高隔膜的固有性质并且能够诱导均匀锂沉积，传统的纳米陶瓷涂层(纳米二氧化硅、氧化铝等)被广泛用作隔膜涂层，这些涂层可以增加隔膜的机械强度，但是也会引起阻抗增加，降低电池性能，且这些方法对于抑制锂金属电池中锂枝晶生长几乎没有作用，更无法解决由锂枝晶持续生长带来的锂金属电池的安全问题。

发明内容

基于上述技术背景，为了解决现有锂电池中隔膜润湿性、机械强度不足及锂枝晶生长问题，本发明提供了一种硅氧烯/聚偏氟乙烯改性隔膜及其制备方法和应用。经验证，硅氧烯/聚偏氟乙烯改性涂层能提高隔膜热稳定性和电解液润湿性，并能够在锂金属负极表面形成一层稳定的界面保护层，抑制锂电池运行过程中的枝晶生长，从而使得锂金属电池保持高安全、高性能的特性。

本发明具体提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种改性隔膜，所述改性隔膜为表面具有硅氧烯/聚偏氟乙烯涂层的隔膜。

本发明发现，硅氧烯涂覆于隔膜表面，亲锂的硅氧烯颗粒能够增加传统PE隔膜对电解液的润湿性，而颗粒间存在的大量微纳米孔隙也能够增加隔膜对电解液的吸液率，此外还能够提高隔膜的热稳定性。商业化隔膜的电解液润湿性和吸液率都较低，不利于锂离子迁移，造成电池极化电压较大，高温极易热收缩更会为电池带来短路，甚至起火爆炸的危险，而涂覆后改性隔膜的高润湿性和吸液率能够保证锂离子快速迁移，其热稳定性也保证了电池的高温安全性。

其次，改性隔膜的涂层与锂金属接触后，涂层中的硅氧烯能够与锂金属发生原位反应，在锂金属负极表面形成一层快速传输锂离子的人工界面保护层。采用普通隔膜的锂电池中，锂金属与电解液的副反应会严重腐蚀锂负极，锂沉积过程中负极的体积膨胀也会带来锂金属表面界面层的破裂，造成死锂大量堆积和锂枝晶的无限制生长。而使用改性隔膜后，而硅氧烯与锂金属原位反应后，硅氧烯涂层和锂原位形成的钝化层可以加速锂离子的传输，引导锂的均匀沉积，并最终以协同优势获得稳定的锂负极。

本发明第二方面，还提供上述改性隔膜的制备方法，所述方法包括：将硅氧烯颗粒加入聚偏氟乙烯溶液中混匀得到浆料；将所述浆料涂覆在隔膜表面，干燥后即得。