可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料、制备方法及用于双层复合隔膜的应用技术

本发明专利技术提供了一种可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料、制备方法及用于双层复合隔膜的应用，按照极性基团

【技术实现步骤摘要】
可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料、制备方法及用于双层复合隔膜的应用


[0001]本专利技术属电池隔膜相关材料制备领域，具体涉及一种隔膜涂覆材料、制备方法、及相应双层复合隔膜的制备应用。

技术介绍

[0002]动力电池的发展促使行业对高能量密度的电池需求不断增加，锂离子电池发展趋势将会朝着高比容量、更高功率、高充放电效率、高循环性能和较低成本等方向。但同时高能量密度的电池安全性问题一直对行业发展有所困扰。尤其是新能源汽车自燃的事件经常被报道。数据表明新能源汽车自身安全问题大多与电池相关，而电池老化或短路是造成危险的原因之一，由于电池内部电解液的高可燃性，当电池发生短路时，电解液燃烧造成危险。
[0003]隔膜作为电池的最重要组成部分之一，起到隔离正、负极，防止短路的作用，隔膜仅具有离子传导性而不具有电子电导性。因此电池的安全性很大程度上取决于隔膜的稳定性和安全性。目前应用最广泛的隔膜多为聚烯烃类树脂(PP、PE等)通过湿法或干法拉伸制备而成，虽然这种隔膜具有强度高、孔隙率高的优点，但吸液率低、热稳定性差(熔点≤160℃)容易热失控的缺点也限制了其应用，锂离子电池爆炸多是因为隔膜耐热性差导致的短路造成的。
[0004]综上所述，如锂离子电池或锂金属电池中，石墨负极或金属负极表面在多次或大功率充放电应用中，由于Li
+
的非均匀沉积和愈加强烈的尖端效应影响，枝晶会逐渐生长并最终刺穿隔膜，金属锂与电解液中的各种物质发生反应生成较脆的SEI膜，长循环后，SEI膜会反复破裂和形成，造成阳极金属的不可逆损失，CE降低明显，这在很大程度上限制了锂金属阳极的实际应用，同时枝晶刺穿隔膜而产生安全隐患。考虑到Li
+
的具有较高电负性，本专利技术致力于在商用隔膜表面涂覆一种自组装的超分子材料，通过其分子含有的极性基团来调控Li
+
的传输和均匀沉积，同时该材料明显的阻燃性能，当被刺穿短路时，隔膜的高阻燃性将降低危险和事故严重性。

技术实现思路

[0005]基于上述
技术介绍
，本专利技术提供了一种可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料、制备及用于双层复合隔膜的应用，所述电池隔膜涂覆材料能够影响金属离子均匀沉积，且具有阻燃性，本专利技术所制备的涂覆材料用于制备电池隔膜，形成功能性多孔双层复合隔膜；将被应用于抑制各类电池中负极材料表面在充放电循环时枝晶的不可控生长，提高电池的使用寿命，同时能够在电池热失控时提升隔膜自身阻燃性能，来改善电池整体的安全性。
[0006]可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]按照极性基团
‑
NH2和
‑
H2PO3摩尔配比1:1或2:1分别称取三嗪类含氮杂环有机化合物和有机膦酸，并分别将三嗪类含氮杂环有机化合物和有机膦酸完全溶解在去离子水中得到溶液A、B，后将二者逐滴混合并全程搅拌，溶液中将立即产生白色沉淀，静置后过滤，并清洗、烘干，冷却后研磨成粉末。
[0008]进一步地，所述有机膦酸为氨基三亚甲基膦酸、植酸、乙二胺四甲叉膦酸、己二胺四亚甲基膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸中的一种。
[0009]进一步地，所述三嗪类含氮杂环有机化合物为三聚氰胺。
[0010]进一步地，烘干温度为50
‑
80℃。
[0011]进一步地，所述A溶液中，加入氧化石墨烯，并充分超声分散，再与B溶液混合，氧化石墨烯与产生的白色沉淀一同沉积。
[0012]进一步地，氧化石墨烯的加入量与三嗪类含氮杂环有机化合物质量比为1:25。
[0013]所述的制备方法制备的可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料。
[0014]所述的可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料用于双层复合隔膜的应用，其特征在于，称取所述电池隔膜涂覆材料粉末，滴入以N
‑
甲基吡咯烷酮为溶剂的聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂溶液，其中所述电池隔膜涂覆材料粉末与聚偏二氟乙烯(PVDF)的质量比为8:2，磁力搅拌2h以上，利用湿膜制备器涂布在基膜一侧，真空烘干。
[0015]进一步地，所述基膜为PP、PE或钠电玻璃纤维类隔膜。
[0016]所述电池隔膜涂覆材料制成的双层复合隔膜，其特征在于，所述隔膜涂覆材料涂敷在基膜上，厚度为30
‑
100μm。
[0017]杂原子掺杂将有效影响离子转移沉积的方式，以锂金属电池负极为例，其作用方式有两种：
①
形成负电性位点(掺杂原子或相邻的碳原子)，与路易斯酸Li+相互作用；
②
形成较强的局部偶极子，产生较强的离子偶极子力，并吸附Li+，再产生感应的偶极子，进一步增大结合能。B、N、O单掺杂和O
‑
B/S/P共掺杂优异亲锂性有三个关键因素：电负性、局部偶极子和电荷转移，而亲锂性将直接影响离子沉积。
[0018]三嗪类含氮杂环有机化合物和有机膦酸均为工业常用原料，其分子中分别含有
‑
NH2中的
‑
H2PO3，且在常温的水溶液中，二者大多可相互作用形成类似于离子键结构，生成难溶性自组装超分子材料。本专利技术合成电池隔膜涂覆材料中将均匀分布较多的极性基团结构，该极性基团中含有大量的N、O、P和C等元素，杂原子自身的电负性不仅可以和电负性较小(0.98V)的Li+结合，而且可以作为锂离子穿膜通道，进而促使锂离子在锂金属表面均匀沉积，抑制枝晶生长，构建稳定锂金属界面产生积极响应，避免枝晶严重对电池性能的影响。
[0019]将其涂覆于商用隔膜表面，例如PP、PE等，形成功能性多孔双层复合隔膜。极性基团与Li+之间的相互作用将引导锂金属负极表面Li+的均匀沉积，通过多孔双层复合隔膜在电极表面实现了分子水平的均质且快速的锂离子通量，堆叠的2D分子刷之间的间隙为电解质的扩散提供了快速通道，达到延长电极在较高电流密度下的使用寿命，提高电池库伦效率等效果。并且所制备的涂覆材料为片状结构，具有较大的比表面积，这将有利于材料分子中大量的极性基团外露，达到调控Li+有序沉积的作用。同时本专利技术所述电池隔膜涂覆材料中，形成了N
‑
P离子键，N
‑
P化合物具有较好的阻燃良好的阻燃效果，发烟量小，可自熄，不产生有害气体，因此提升了其阻燃性能；相比于PP，双层复合隔膜热稳定性有所提高。另外，氧
化石墨烯的加入将提升材料的机械强度。
[0020]本专利技术制备方法简单、易于控制、成本低，测试结果表明，与空白对照组相比，可以有效地通过自身极性基团而调控锂离子的均匀沉积，无论是阻抗、极化电位，本材料涂覆的隔膜均表现出优异性能。在阻燃性能上，该隔膜不燃烧，不发烟，热收缩率小，具有高阻燃性，可以考虑应用到如锂金属电池等高能量密度电池中。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例1、实施例2所制备MASA、GO
‑
MASA粉末的X射线衍射图图。
[0022本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.可抑制枝晶生长的阻燃性电池隔膜涂覆材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照极性基团
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NH2和
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H2PO3摩尔配比1:1或2:1分别称取三嗪类含氮杂环有机化合物和有机膦酸，并分别将三嗪类含氮杂环有机化合物和有机膦酸完全溶解在去离子水中得到溶液A、B，后将二者逐滴混合并全程搅拌，溶液中将立即产生白色沉淀，静置后过滤，并清洗、烘干，冷却后研磨成粉末。2.根据权利要求1所述的电池隔膜涂覆材料的制备方法，其特征在于，所述有机膦酸为氨基三亚甲基膦酸、植酸、乙二胺四甲叉膦酸、己二胺四亚甲基膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸中的一种。3.根据权利要求1所述的电池隔膜涂覆材料的制备方法，其特征在于，所述三嗪类含氮杂环有机化合物为三聚氰胺。4.根据权利要求1所述的电池隔膜涂覆材料的制备方法，其特征在于，烘干温度为50
‑
80℃。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的电池隔膜涂覆材料的制备方法，其特征在于，所述A溶液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚平，李亚宁，张克琳，栗欢欢，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：