[发明专利]聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜及其制备方法和应用、复合隔膜及电池

说明书

本发明公开了一种聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜及其制备方法和应用、复合隔膜及电池，将聚对苯撑苯并二噁唑纤维进行酸溶，搅拌均匀得到纤维浆料；倒入模具铺展并浸泡在交换溶剂中，脱酸后得到胶状块体；对胶状块体进行快速脱溶剂干燥，最终得到聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜，具有机械性能高、无热缩倦性、不可燃且热分解温度高的特性。所述复合隔膜经过简单浇铸成膜—涂覆干燥制得，其制备工艺简单，适宜进行大规模生产。本发明的复合隔膜，具有电化学稳定性优异、抗枝晶效果、机械性能高、离子传输性能好、热传导快、耐高温、高温可闭孔等优点，可提升电池的循环寿命和安全性能。

技术领域

本发明涉及电化学电源技术领域，特别是涉及一种防微短路耐热隔膜及其制备方法和应用以及一种高安全电池。

背景技术

随着社会信息化、装备智能化、交通电气化以及能源物联网的建立，储能方式和储能器件在不断创新发展。电池作为一种电化学储能器件，在3C电子产品、动力汽车和新能源等领域具有广泛的应用。为了满足电动汽车的里程和市场需求，学术和工业界一直在推进高能量密度电池的研发和应用，比如锂金属负极、硅负极、高镍三元正极、空气正极的开发和应用。然而，随着电池能量密度的提高，其稳定性也随之变差，比如锂金属负极易生长枝晶、硅负极充电过程中高体积膨胀、高镍正极热稳定性差等。这些不稳定因素容易引发电池的短路和热失控，对电池的安全性带来了巨大挑战。

隔膜作为液态电池的重要组成部分，可以有效隔开正负极，防止发生短路，但可准许离子传输而阻止电子通过，是电池安全性的重要保障部件。传统的隔膜主要采用聚烯烃多孔膜，例如聚乙烯膜和聚丙烯膜。但是，聚烯烃隔膜的熔点和热分解温度低、导热性差，当电池内部发生热聚集时，聚烯烃隔膜容易发生热蜷缩，并引发电池短路。另外，聚烯烃隔膜的机械性能不高，当电极产生枝晶或者发生较大体积变化，聚烯烃隔膜容易被刺穿并破裂，也会引发电池短路。电池内部发生短路，会加剧电池热失控行为，甚至引发漏液，爆炸或者火灾等安全隐患。为了确保高能量密度电池的安全性，负责安全保障的隔膜应该具有破膜温度高、热蜷缩率低、导热快、拉伸强度高和闭孔温度恰当等特性。

聚对苯撑苯并二噁唑纤维的热分解温度高于650℃，无熔点、不可燃且不支持燃烧，机械强度是钢的12-14倍，质轻而柔软，被称为21世纪超级纤维。作为一种高强度耐热不可燃的有机纤维，是理想的隔膜原料。但是，聚对苯撑苯并二噁唑分子链含有苯环和苯并二噁唑环，在环平面间的大π键作用下，分子链紧紧聚在一起，而难分散和溶解在常规溶剂中。虽然可以溶解在强酸中，但当其酸性浆料中的质子被洗除后，在大π键共轭的作用下分子链又会紧紧团聚一起，很难形成平整且多孔的聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜。制备聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜的方法虽有不少报道，但所制备多孔膜尺寸较小且孔数量有限(如专利CN103746086B、文章Nano Letter 16(2016)2981-2987.)，不利于离子传输，不能在大电流下使用，不适宜于作为动力电池的隔膜。同时，这些多孔膜不具有高温闭孔特性，不利于阻断热失控发生。另外，比如一些常用的复合共聚的方法(CN103788395A、CN113174196A)，这些方法不仅步骤复杂、条件苛刻、高能耗而且所得多孔膜不够平整，不利于低成本大规模制备。同时，聚对苯撑苯并二噁唑含有噁唑基团，与一些活泼性金属负极直接接触存在化学不稳定性，不适宜直接作为高能量密度金属电池的隔膜材料。

有鉴于此，制备并改性聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜，从而获得一种耐热、无热蜷缩、高强度、导热快、化学和电化学稳定、具有高温闭孔特性的复合隔膜，并成功应用到电池中，对提高电池的安全性，特别是热安全性尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜。

本发明的另一个目的是提供一种基于所述聚对苯撑苯并二噁唑多孔膜的防微短路耐热的复合隔膜。

本发明的另一个目的是提供所述防微短路耐热的复合隔膜的制备方法。

本发明的另一个目的是提供所述防微短路耐热的复合隔膜在电池中的应用。