[发明专利]高吸液率微纳结构聚合物电解质膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高吸液率微纳结构聚合物电解质膜的制备方法

背景技术

绿色二次锂离子电池以其优异的电性能及无公害，安全性能好等特点，发展极快，成为 近年来新型电源技术研究的热点。通常的锂离子二次电池由正/负极材料、电解液、隔膜以及 电池外壳包装材料组成。隔膜是液态锂离子二次电池的重要组成部分，在电池中起着防止正/ 负极短路，同时在充放电过程中提供离子运输电通道的作用，其性能决定了电池的界面结构、 内阻等，直接影响电池的容量、循环性能以及安全性能等特性，性能优异的隔膜对提高电池 的综合性能具有重要的作用。聚合物锂离子电池中使用固态电解质体系，包括全固态电解质 和凝胶态电解质，避免了有机液态电解质以游离态存在，电池不会出现漏液问题。隔膜为非 电子导体，其性能决定着电池的界面结构、内阻，并影响到电池的容量、循环性能、充放电电 流密度等特性。因此，要求电池隔膜具有高的离子传导率、适宜的机械强度、柔韧性、孔结 构和电化学稳定性等。隔膜的性能主要由以下参数评价：

(1)孔径和分布。作为电池隔膜材料，本身具有细小的孔结构，容许吸纳电解液并保障锂离子 通道的畅通；为了保证电池中一致的电极/电解液界面性质和均一的电流密度，微孔在整个隔 膜材料中的分布应当均匀。孔径的大小与分布的均一性对电池性能有直接的影响：孔径太大， 容易使正负极直接接触或易被锂枝晶刺穿而造成短路；孔径太小则会增大电阻。微孔分布不 匀，工作时会形成局部电流过大，影响电池的性能。

(2)孔隙率。原则上，对于一定的电解质，具有高孔隙率的隔膜可以降低电池的阻抗，但也不 是越高越好，孔隙率太高，会使材料的机械强度变差。

(3)机械性能。隔膜必须具备一定的抗张强度和抗刺穿强度，以防止电池短路使电池安全性得 以保障。

(4)润湿性。较好的润湿性有利于隔膜同电解液之间的亲和，扩大隔膜与电解液的接触面，从 而增加离子导电性，提高电池的充放电性能和容量。

(5)化学稳定性。隔膜在电解液中应当保持长期的稳定性，在强氧化和强还原的条件下，不与 电解液和电极物质发应。

(6)热稳定性。电池在充放电过程中会释放热量，尤其在短路或过充电的时候，会有大量热量 放出。因此，当温度升高的时候，隔膜应当保持原来的完整性和一定的机械强度，继续起到 正负电极的隔离作用，防止短路的发生。

电池的离子电导率是影响电池性能的最重要因素之一。电导率高，说明导电离子浓度高， 电池传导电流的能力也就强。离子电导率的增加可提高电池的充放电性能。隔膜较好的润湿 性有利于隔膜同电解液之间的亲和，扩大隔膜与电解液的接触面，从而增加离子导电性。隔 膜的润湿性不好会增加隔膜和电池的电阻，影响电池的循环性能和充放电效率。润湿性可由 隔膜的吸液率来表征，一定程度上反映了隔膜孔结构的优劣。吸液率越高，说明隔膜有好的 孔隙率，单位体积内吸收电解液的量越高，电池的电导率也就越高。由于聚乙烯、聚丙烯微 孔膜具有较高孔隙率、较低的电阻、较高的抗撕裂强度、较好的抗酸碱能力、良好的弹性及 对非质子溶剂的保持性能。目前市场化的锂离子电池隔膜还是以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯 烃隔膜，包括单层PE，单层PP，三层PP/PE/PP复合膜。美国Celanse公司1970年专利 US Patent3426754，用于生产单层的聚丙烯多孔膜。该工艺经过几十年的发展在美国、日本 已经非常成熟，现在美国Celgard公司、日本UBE公司采用此种工艺生产单层PP、PE以及三 层PP/PE/PP复合膜。但Celgard法中很难得到孔径均一的膜而使电极间的距离增大，增大了 电池的内阻。总的来说，聚乙烯、聚丙烯隔膜对电解质亲和性较差，吸液能力低，造成电池电 导率低。聚合物电解质的出现使得聚合物锂电池具有高能量密度与长循环寿命，自放电低， 不漏液，安全性好等特点。