[发明专利]缓释型功能性隔膜及其制备方法、锂电池

说明书

本发明公开了一种缓释型功能性隔膜，包括作为支撑和框架结构的基材组分A和功能组分B；基材组分A包括但不限于聚烯烃及其衍生材料；功能组分B为无机碱金属盐或无机碱金属盐与聚合物的混合物；聚合物为能溶解无机碱金属盐或能与无机碱金属盐发生络合的聚合物材料。还公开了该隔膜的制备方法和锂电池。本发明的离子缓释型功能性隔膜兼备良好的电解液亲和性、电解液离子传导率、良好的热稳定性、结构稳定性和电化学稳定性，具备优异的抑制锂枝晶生长的能力，并稳定锂负极沉积，能有效提高锂电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体为一种缓释型功能性复合隔膜及其制备方法和锂电池。

背景技术

追求可清洁持续和可再生能源，是人类发展的重要主题。自20世纪90年代商业化以来，锂离子电池一直是电化学电源的重点研究对象之一，并且在工业和日常生活中得到了广泛的应用。然而，最先进的锂离子电池（LIBs）电极材料（尤其是石墨）的能量密度已接近物理极限，无法满足某些先进储能设备日益增长的需求。金属锂负极（LMBs）具有较高的理论比容量（3860 mAh g^-1，是石墨的10倍）和最低的氧化还原电位（-3.04 V vs. 标准氢电极），被认为是最具前景的可充电高容量负极之一。但是金属锂直接应用于锂电池存在明显的问题，主要表现在两个方面：安全性和循环寿命。随着循环的进行，锂金属表面会不断生长出锂枝晶，大量枝晶对隔膜具有较大的应力，会导致隔膜被刺穿，从而引发电池短路、着火、产气、爆炸等安全问题。锂枝晶阻碍了金属锂负极应用，解决锂树枝晶问题是促进LMBs实际应用的关键之一。在最近几年，研究者们花费巨大的努力致力于解决锂枝晶的问题，包括对阳极结构优化、界面改性、构建人工固体电解质界面（SEI）、集流体修饰等。但是这些方法流程复杂，局限于实验室，或无法实际大规模应用。添加电解液添加剂是一个简单高效的方法，专利KR1020180027996提供一种包含氮原子的化合物衍生阴离子电解质添加剂，所述含添加剂电解质在二次电池中具有优异的高低温寿命特性、高温储存特性和较小的负极厚度变化率。专利CN111477957B公开了一种包括路易斯酸和硝酸锂的复合添加剂的锂金属电池电解液，锂金属电池电解液可以在锂金属负极表面原位转化成一层富含氮化物、氧化锂的无机快离子固态电解质保护层，促进锂金属沉积晶粒粗化，抑制纳米级枝晶状沉积形成。专利CN112117492A提供了有机酯类电解液添加剂及含该添加剂的电解液及锂金属电池，提高了电池在充放电过程中的循环稳定性和抑制锂金属电池在循环过程中锂枝晶的产生，从而提高锂金属电池的安全性。尽管在这些专利都对改善锂电池性能有正向增益效果，但以添加剂方式改善锂负极会遇到明显的问题，初期添加剂浓度都处于低浓度水平，随着循环时间的延长，锂负极界面副反应增多，添加剂被消耗从而影响添加剂的实际效果。

隔膜改性是一种能够用于工业实际并且制备流程简单的方法。目前锂电池主要使用聚烯烃材料制备隔膜，主要为聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）制造的微孔膜。专利CN112436233A提供一种PP膜为基膜、无机陶瓷粉体为绝缘材料，利用微凹涂覆技术制备用于锂金属电池功能隔膜，实现了锂金属电池较慢的容量衰减，并能提前检测锂金属电池内部锂枝晶生长，从而有效避免隔膜被刺破而造成短路的情况。专利CN109449353A提供了一种以聚合物为主要材料、表面涂覆有无机陶瓷材料的新型静电纺丝锂电池隔膜，可提高锂电池隔膜对电解质的亲和性及锂电池隔膜的耐温性。专利CN109860485A发明了静电纺丝法制备聚酰亚胺纳米纤维隔膜，提供了一种工艺简单、适用范围广、强度高、耐温性好、耐穿刺强度高以及孔隙率高孔径小等特点的聚酰亚胺纳米纤维隔膜及其制备方法。通过这些方法通过在隔膜表面增加复合层或纺丝层，集中在提高隔膜收缩率、耐高温性、稳定性、孔径均匀，或改善隔膜的表面张力，降低隔膜与极片的界面阻抗等方面。较少在功能化应用上如通过隔膜影响电池体系的化学反应进程，集中单方面改善锂电池所遇到的问题。未充分利用复合隔膜组分始终沉浸在电极之间，以及可以参与锂电池体系中参与电化学反应这一特征。

综上，根据上述内容可见现有锂电池电解液改性以及隔膜改性功能单一，并不能完全解决锂金属电池所遇到的问题。

发明内容