一种纳米复合材料电池隔膜及其制备方法、锂电池技术

本发明专利技术涉及一种纳米复合材料电池隔膜及其制备方法、锂电池，将所需的耐温高分子材料与无机材料的有机溶液充分混合搅拌，配置成一定质量分数的溶胶溶液，调节溶胶溶液不同的浓度、质量分数、刮刀厚度，通过溶胶

【技术实现步骤摘要】
一种纳米复合材料电池隔膜及其制备方法、锂电池


[0001]本专利技术涉及电池隔膜领域，具体而言，涉及一种纳米复合材料电池隔膜及其制备方法、锂电池。

技术介绍

[0002]在过去的几十年里，锂离子电池已被广泛应用于许多领域。例如新能源汽车、储能设备等行业。其中，数码电池为目前锂电池的主要应用领域，并且动力电池为锂电池领域未来的发展趋势；另外，锂电池在储能领域的地应用主要围绕在家庭光储系统、电源、电池储能、电动汽车充电站、基站备用等领域，其比能量和能量密度高、自放电率低、无记忆效应并且环保无污染，各方面性能优于其他储能电池类型。
[0003]因此，高能量密度、高安全性能锂电池的开发研究迫在眉睫。锂金属电池因其具有最高的理论容量(3860mAhg
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1)、最负的电化学电位(～3.04Vvs，标准氢电极)、极低的密度(0.59gcm
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3)，作为电池负极可以大大提高能量密度。然而，随着电池能量密度的提高，稳定性变差，安全隐患就越大。为了克服安全问题，需要不断改进锂金属电池内部组件材料。
[0004]锂离子电池主要由正极、负极以及设置在正负极之间的隔膜组成。而隔膜作为锂电池内层的关键组件，用于分离电池的正、负极，防止正负极接触而短路。其性能优劣决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量，循环、寿命及安全等特性，性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要影响。用聚烯烃材料作为锂离子电池隔膜原料的优势在于其拥有优异的机械性能，化学稳定性，电绝缘性并且价格低廉，易加工性，适合用于制备隔膜。当今市场化的隔膜材料主要以聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)为主。这类隔膜在锂电池充放电循环过程中，会出现严重的安全性问题，例如，负极表面锂离子的不均匀沉淀导致的枝晶问题，引起以下方面的重要问题：
[0005](1)锂枝晶不断生长，最终刺穿隔膜，导致电路短路，电流急剧增加，造成失火甚至爆炸等事故。
[0006](2)锂枝晶生长到一定程度发生断裂成为死锂，导致电池容量衰减，直至最终失效。
[0007](3)随着锂电池能量密度的增加，产生大量的热量，低的导热会加快热失控事件的发生，甚至威胁到人身生命安全。
[0008]因此，传统的锂金属电池安全性能不高，主要原因包括传统隔膜多方面性能的欠缺；
[0009](1)不能从机理上阻止锂枝晶的产生，也不能从根源上抑制锂枝晶的生长；
[0010](2)差的耐高温性和导热性能，导致电池内部短路产生的巨大热量会使隔膜进一步变形融化，发生热失控。因此，针对隔膜上述安全性能进行改进，可能会有效阻止安全事故的发生，极大的提高锂电池的安全性能。
[0011]近年以来，针对上述锂枝晶所产生的安全问题，提升锂金属电池安全方法的研究日益受到关注，如掺杂电解液、负极表面修饰和隔膜改性等，但更换其他隔膜以抑制锂枝晶
生长，提升热稳定性的方法并不常见。并且也没有应用于实际的电池隔膜改性技术，因此迫切性需要更有效的方法以解决上述安全问题。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的之一是提供一种新的锂电池隔膜；
[0013]本专利技术的再一目的是提供上述电池隔膜的制备方法；
[0014]本专利技术的再一目的是提供一种利用上述电池隔膜制造的锂电池。
[0015]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：
[0016]本专利技术实施例公开了一种纳米复合材料电池隔膜，由纳米纤维材料、二维纳米材料先分别通过同一种有机溶剂溶解形成分散液后再混合并处理而成，其中，所述纳米纤维材料包括芳纶纳米纤维、纤维素纳米纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纳米纤维、细菌纤维中的一种或2～4种的组合物，所述二维纳米材料包括氮化硼、黏土、氧化铝、氧化石墨烯，金属有机框架材料，二硫化钼或羟基磷灰石中的一种或2～7种的组合物。
[0017]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述有机溶剂包括二甲亚砜、四氢呋喃、N，N～二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或N
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甲基吡咯烷酮中的一种或2～5 种的组合物。
[0018]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述金属有机框架材料包括MOF。
[0019]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述纳米纤维材料与所述二维纳米材料质量的比为0.01～1.5。
[0020]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述纳米纤维材料的直径为 1～50nm，长度为1～100μm。
[0021]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述二维纳米材料的横向尺寸为 0.1～20μm，厚度为0.5～10nm。
[0022]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述纳米复合材料电池隔膜的厚度为1～100μm。
[0023]本专利技术实施例还公开了制备上述的纳米复合材料电池隔膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0024]S1、将所述有机溶剂和所述纳米纤维材料混合，配置成分散液A；
[0025]S2、将所述有机溶剂和所述二维纳米材料混合，配置成分散液B；
[0026]S3、将所述分散液A和所述分散液B混合，配置成溶胶溶液C；
[0027]S4、将所述溶胶溶液C倒入模具内，利用刮刀去除多余的溶胶溶液C；
[0028]S5、将模具内所剩溶胶置于水中浸泡，得到水凝胶；
[0029]S6、将所述水凝胶进行压平和干燥，即得到纳米复合材料电池隔膜。
[0030]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述S1步骤中的设置条件为25℃～50℃，机械搅拌1～120h，转速1～1200r/min，终得所述分散液A的浓度为0.1～10wt％。
[0031]作为本专利技术实施例的一种优选技术方案，所述S2步骤中的混合为超声混合，且超声功率0～600W，超声时间0.1～20h。
[0032]本专利技术实施例还公开了一种锂电池，所述锂电池包括上述的纳米复合材料电池隔膜。
[0033]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果；
[0034]本专利技术提供了一种纳米复合材料电池隔膜的制备方法，制备工艺新颖，操作方便，可规模化可以生产任意形状的隔膜，减少对隔膜的破坏，成本不高，可以量产，前景广阔，并且复合薄膜直接适用于现有锂电池工艺生产，可以诱导锂离子均匀沉积，抑制锂枝晶的产生及生长，有效提升锂离子电池的库伦效率，延长电池循环寿命，本专利技术中纳米纤维材料、二维纳米材料，在结构上大多带有电负性，具有一定的离子选择性，并且离子通透性强，促进锂离子传导；同时隔膜的薄厚度、质轻，对锂电池能量密度产生积极地影响。
[0035]本专利技术中所用的纳米纤维材料、二维纳米材料等都具有很高的熔点，相比于PP 电池隔膜大大提高了耐温性能、热导性能，防止电池过热时，电池隔膜产生的受热收缩和破损，更好地预防电池内部短路问题。同时，上述二维纳米材料具有大量的空位及极性基团，能均匀锂离子分布，从而提高锂离子传输效率。混合过程中使用机械搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米复合材料电池隔膜，其特征在于，由纳米纤维材料、二维纳米材料先分别通过同一种有机溶剂溶解形成分散液后再混合并处理而成，其中，所述纳米纤维材料包括芳纶纳米纤维、纤维素纳米纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纳米纤维、细菌纤维中的一种或2～4种的组合物，所述二维纳米材料包括氮化硼、黏土、氧化铝、氧化石墨烯，金属有机框架材料，二硫化钼或羟基磷灰石中的一种或2～7种的组合物。2.根据权利要求1所述的纳米复合材料电池隔膜，其特征在于，所述有机溶剂包括二甲亚砜、四氢呋喃、N，N～二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或N
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甲基吡咯烷酮中的一种或2～5种的组合物。3.根据权利要求1所述的纳米复合材料电池隔膜，其特征在于，所述纳米纤维材料与所述二维纳米材料质量的比为0.01～1.5。4.根据权利要求1所述的纳米复合材料电池隔膜，其特征在于，所述纳米纤维材料的直径为1～50nm，长度为1～100μm。5.根据权利要求1所述的纳米复合材料电池隔膜，其特征在于，所述二维纳米材料的横向尺寸为0.1～20μm，厚度为0.5～10nm。6.根据权利要求1所述的纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕超，王杰，翟瑞，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：