一种电池复合隔膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种电池复合隔膜及其制备方法，属于电化学电池领域。本发明专利技术电池复合隔膜是由导电层/聚合物层或导电层/聚合物层/导电层构成的多层复合隔膜结构；其中导电层主要由炭材料或导电高分子材料组成，将其在聚合物隔膜的单面或双面成膜而构成。本发明专利技术特点是导电层具有很强的电解液吸附及存储能力，缩短了离子传输过程，提高了电池的大电流充放电性能。当用于金属锂电池中，复合隔膜中与金属锂接触的导电层可缓解锂表面的不均匀腐蚀，抑制锂枝晶的形成。电池复合隔膜制备过程简单、易控，可实现大量、低成本工业化制备，具有很高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，属于电化学电池领域。本专利技术电池复合隔膜是由导电层/聚合物层或导电层/聚合物层/导电层构成的多层复合隔膜结构；其中导电层主要由炭材料或导电高分子材料组成，将其在聚合物隔膜的单面或双面成膜而构成。本专利技术特点是导电层具有很强的电解液吸附及存储能力，缩短了离子传输过程，提高了电池的大电流充放电性能。当用于金属锂电池中，复合隔膜中与金属锂接触的导电层可缓解锂表面的不均匀腐蚀，抑制锂枝晶的形成。电池复合隔膜制备过程简单、易控，可实现大量、低成本工业化制备，具有很高的应用价值。【专利说明】
本专利技术属于电化学电池
，具体涉及。
技术介绍
隔膜是各种电池的重要组成部分，主要作用是将电池正、负极活性材料分隔开来， 防止两极接触造成短路，并能使电解质中的离子通过。对于隔膜需要对电解液浸润性好， 吸液率高，有利于提高离子电导率，有良好的化学稳定性，其不能与溶剂体系中电解液发生 化学反应或溶解，为了保证组装，要求有较高的拉伸强度、穿刺强度以满足缠绕组装过程， 同时为了保证安全性，需要较高的孔隙率以增大电流密度，孔径分布均匀以避免电流密度 不均匀造成局部过热。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量发 挥、循环及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。 以锂离子电池为例，锂离子电池的组成包括正极、负极、聚合物隔膜、电解液及其 包装等。在锂离子电池的结构中，隔膜是关键的内层组件之一。目前广泛应用于锂离子电池 的隔膜有聚烯烃隔膜和聚合物电解质隔膜。聚合物隔膜熔点和机械强度不高，使用过程中 温度升高容易发生变形，电解质与电极材料界面不稳定，高温性能差。在高倍率及长时间充 放电过程中容易发生枝晶造成聚合物隔膜穿透使电池短路。如隔膜能够在高温下较快传导 热量，则能够为锂离子电池提供较高的安全系数。而聚烯烃隔膜虽然具有较高的机械强度， 但对电解液的浸润性能较差，吸液量有限，导致离子电导率不高，从而影响电池的倍率及循 环性能。对电解液的吸收和保持是隔膜的两种物理特性，对于电池的使用特性是很重要的。 任何性能良好的隔膜要求在电池使用过程中都能吸收大量的电解液且可保持。这些性能对 于电池更加重要，因为在密封电池中不存在游离态的电解液。要想电池的内阻最小，隔膜吸 收电解液的数量越多越好。同时通常电极材料与隔膜界面的接触表面有限，在充放电过程 中活性材料发生的体积改变容易导致与隔膜的接触结合不够稳定，界面电阻大，使得电池 内阻增高，使电池性能尤其是大电流性能急剧下降。 对于金属锂电池，如锂硫/锂空气电池，由于锂具有低的密度和高的比容量，因此 在发展高比能量电池体系具有诱人的前景。但由于负极材料使用金属锂，金属锂在充放电 过程中会发生不均匀沉积而形成锂枝晶，锂枝晶不断生长会刺破隔膜使电池内部短路而发 生爆炸危险。因此安全性问题是金属锂二次电池商品化的重要因素。金属锂电池使用聚烯 烃隔膜通常需要额外的保护手段，如采用电解液添加剂以利于在锂片表面形成保护层或对 金属锂负极进行表面改性，包括无机物包覆层、有机物包覆层和高分子包覆层。采用固态聚 合物电解质隔膜是另一种有效途径，如凝胶固态电解质隔膜，常用的包括聚偏氟乙烯及聚 偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物。虽然固体电解质隔膜可大大减少电解质对金属锂电极的电化 学腐蚀，但是离子的传输速度很慢，离子电导率很低，需要在较高温度下才能有较快的离子 迁移速度从而达到理想的电池性能。而聚合物电解质隔膜随温度升高容易发生变形，电解 质与电极材料界面不稳定，高温性能差，导致电池性能衰减。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该复合隔膜用于锂离子 电池当中，可提高活性材料的导电接触及电解液吸附存储能力，有利于大电流下产生热量 的快速传输与扩散，提高了电池的大电流充放电性能及电池的安全性能。针对采用金属锂 为负极的锂电池，如锂硫/锂空气电池等，复合隔膜中与金属锂接触的导电层可缓解锂表 面的不均匀腐蚀，抑制锂枝晶的形成，从而增加充放电次数，延长其使用寿命。 本专利技术的技术方案是： -种电池复合隔膜，是由导电层和聚合物薄膜复合而成，包括两层结构或三层结 构；其中：所述两层结构为聚合物薄膜的一面与导电层复合而成(导电层/聚合物隔膜复合 结构)，所述三层结构为聚合物薄膜的两面分别与导电层复合而成(导电层/聚合物隔膜/ 导电层复合结构)。所述导电层为导电炭材料或导电高分子(聚合物）材料。所述复合的方 式为过滤、喷涂、刮涂或印刷成膜。 所述导电层膜层厚度为0. 1?20 μ m，电导率为10?2000S/cm ;所述聚合物薄膜 层的厚度为1?30 μ m。 所述聚合物薄膜层为具有孔径分布范围为10?l〇〇〇nm微孔的聚丙烯（PP)微孔 隔膜、聚乙烯（PE)微孔隔膜、聚酰胺（PA)、聚偏氟乙烯（PVDF)隔膜、聚氯乙烯（PVC)或纤维 素复合膜隔膜。 所述导电层为导电碳材料时，包括石墨烯、碳纳米管、导电炭黑、中孔碳、微孔碳 球、层次孔碳、活性碳、空心碳球、碳纤维、富勒烯、导电石墨粉和膨胀石墨粉中的一种或几 种；所述导电层为导电聚合物材料时，包括聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔或聚噻吩中的一种或几 种。 上述电池复合隔膜的制备方法，该方法是将导电材料(导电炭材料或导电高分子 材料）在溶剂中或含表面活性剂的溶剂中分散0. l-24h后，得到导电材料的分散液，然后 将所得导电材料的分散液抽滤到聚合物薄膜层上或者将导电材料的分散液通过刮涂、喷涂 或印刷的方法涂覆到聚合物隔膜上，再将带有导电材料的聚合物隔膜在30?120°C干燥 0. 5?24h，获得电池复合隔膜。 所述导电材料的分散液中导电材料含量为0. l_5mg/mL，所述含表面活性剂的溶剂 中表面活性剂的浓度为〇. l_5wt%。 所述溶剂为水、醇类、酮类、醛类、有机酸、N-甲基吡咯烷酮（NMP)、二甲基甲酰胺 (DMF)、二甲基乙酰胺（DMA)、氯苯（CB)或二氯苯（DCB)等，所述表面活性剂为十二烷基硫酸 钠（SDS)、十二烷基苯磺酸钠（SDBS)或十六烷基三甲基溴化铵（CTAB)。 所述分散的方法包括超声分散、高速剪切分散、剧烈搅拌和乳化中的一种或几种。 本专利技术设计和制备的电池复合隔膜，具有以下特点： 与活性材料接触的导电层起到内部集流体作用，可有效提高集流体与活性电极材 料的接触面积，增强了活性材料的导电接触，降低了电池的内阻。导电层具有很强的电解液 吸附及存储能力，缩短了离子传输过程，提高了电池的大电流充放电性能。导电层还有利于 大电流下产生热量的快速传输与扩散，可改善电池的安全性能。在金属锂为负极的锂电池 中，电池所用隔膜必须有足够的穿刺强度，以免循环过程中形成锂枝晶穿透隔膜。复合隔膜 中与金属锂接触的导电层可缓解锂表面的不均匀腐蚀，抑制锂枝晶的形成，避免锂片某个 部位穿透隔膜，而产生的电池的短路，进而提高电池的安全性能。在电化学反应过程中导电 材料可有效抑制电极材料在电化学反应过程中的体积膨胀并充当固体电解质的角色，有效 增加了聚合物的电子及离子传输，显著提高了电池的综合性能。多层复合隔膜制备过程简 单、易控，可实现大本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电池复合隔膜，其特征在于：该隔膜由导电层和聚合物薄膜复合而成，包括两层结构或三层结构；其中：所述两层结构为聚合物薄膜的一面与导电层复合而成，所述三层结构为聚合物薄膜的两面分别与导电层复合而成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰，周光敏，裴嵩峰，李璐，黄坤，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21