功能化隔离膜及锂金属电池制造技术

本发明专利技术公开了一种功能化隔离膜及锂金属电池，功能化隔离膜包括多孔基材以及设置于多孔基材至少一侧的功能膜层；功能膜层包含无机粒子，无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。采用本发明专利技术提供的功能化隔离膜，能改善金属锂电极表面性质、抑制锂枝晶的生成，从而提高锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。全性能。全性能。

【技术实现步骤摘要】
功能化隔离膜及锂金属电池


[0001]本申请属于储能装置
，具体涉及一种功能化隔离膜及锂金属电池。

技术介绍

[0002]金属锂的理论比容量(3860mAh/g)远高于当前广泛应用的石墨负极材料的理论比容量(372mAh/g)，且金属锂的电极电位低至-3.04V(vs.H2/H
+
)。因此，以金属锂作为负极材料的锂金属电池有望成为下一代高能量密度储能装置。然而，锂金属电池在充电过程中容易产生锂枝晶，这不仅会降低电池的库伦效率及循环寿命，甚至会造成锂枝晶穿透隔离膜引发正负极发生内短路，引起电池爆炸、起火等安全事故。锂枝晶问题严重阻碍了锂金属电池的商业化应用。

技术实现思路

[0003]鉴于
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供一种功能化隔离膜及锂金属电池，旨在抑制锂金属电池中锂枝晶的生成，以改善锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术第一方面提供一种功能化隔离膜，功能化隔离膜包括多孔基材以及设置于多孔基材至少一侧的功能膜层；功能膜层包含无机粒子，无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。
[0005]本专利技术第二方面提供一种锂金属电池，锂金属电池包括：正极片；负极片，包括锂基金属层；隔离膜，该隔离膜为采用本专利技术第一方面的功能化隔离膜，且功能膜层与锂基金属层接触设置；以及电解液。
[0006]相对于现有技术，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0007]本专利技术提供的功能化隔离膜包括功能膜层，功能膜层包含无机粒子，无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。当功能化隔离膜用于锂金属电池且功能膜层与锂金属接触时，在电解液作用下，无机粒子与金属锂发生可逆反应原位形成锂合金，从而改变了金属锂电极表面的锂组成。锂合金的形成能够调控锂离子沉积/溶出的行为，有效抑制锂金属电极枝晶的生长，有利于提高锂金属电极中锂离子沉积/溶出过程的可逆性。由此，采用本专利技术的功能化隔离膜，能改善锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。
[0008]进一步地，还可以在无机粒子的至少部分表面包覆有聚合物包覆层，包覆层中含有与锂离子进行可逆键合的基团。该基团与锂合金发生原位反应，进行其与锂离子的可逆键合，提高了包覆层与无机粒子的结合牢度。由此，包覆层能更好地抑制锂合金在电池充放电过程中的体积变化。并且，包覆层的基团与锂离子原位形成的化学键还可以作为锂离子传递的通道，能促进锂离子的传递，改善金属锂电极中的动力性能。这样的功能化隔离膜能进一步提高锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。
[0009]进一步地，功能膜层还可以包括聚合物离子液体。聚合物离子液体的结构中含有正电荷基团和负电荷基团。正电荷基团能和聚合物包覆层的与锂离子进行可逆键合的基团
相互作用，使聚合物离子液体与包覆层的聚合物进行物理交联，从而提高功能膜层的强度和耐电解液性。负电荷基团有利于加强锂离子正电荷的传递速率，降低阻抗和过电位。这样的功能化隔离膜能进一步提高锂金属电池的首次库伦效率、循环性能及安全性能。
附图说明
[0010]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0011]图1为本专利技术实施例一种功能化隔离膜的结构示意图。
[0012]图2为图1中功能膜层的局部放大示意图。
[0013]附图标记说明：
[0014]1：多孔基材；2：功能膜层；21：聚合物离子液体；22：复合粒子；221：无机粒子；222：聚合物包覆层。
具体实施方式
[0015]为了使本申请的专利技术目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合具体实施例对本申请进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的实施例仅仅是为了解释本申请，并非为了限定本申请。
[0016]为了简便，本文仅明确地公开了一些数值范围。然而，任意下限可以与任何上限组合形成未明确记载的范围；以及任意下限可以与其它下限组合形成未明确记载的范围，同样任意上限可以与任意其它上限组合形成未明确记载的范围。此外，尽管未明确记载，但是范围端点间的每个点或单个数值都包含在该范围内。因而，每个点或单个数值可以作为自身的下限或上限与任意其它点或单个数值组合或与其它下限或上限组合形成未明确记载的范围。
[0017]在本文的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“以上”、“以下”为包含本数，“一种或几种”中“几种”的含义是两种以上。
[0018]本申请的上述
技术实现思路
并不意欲描述本申请中的每个公开的实施方式或每种实现方式。如下描述更具体地举例说明示例性实施方式。在整篇申请中的多处，通过一系列实施例提供了指导，这些实施例可以以各种组合形式使用。在各个实例中，列举仅作为代表性组，不应解释为穷举。
[0019]功能化隔离膜
[0020]本专利技术第一方面的实施例提供一种功能化隔离膜。功能化隔离膜包括多孔基材以及层合设置于多孔基材至少一侧的功能膜层。功能膜层包含无机粒子，无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。
[0021]当功能化隔离膜用于锂金属电池且功能膜层与锂金属接触时，在电解液作用下，无机粒子与金属锂发生可逆反应原位形成锂合金，改变了金属锂电极表面的锂组成。锂合金的形成有效改善了金属锂电极表面性质，能够调控锂离子沉积/溶出的行为，有效抑制锂枝晶的生成。
[0022]由于锂枝晶的生成得到有效抑制，能有效解决现有锂金属电池中因锂枝晶生长造
RSO
3－
或-RSO2N
－
SO2R
f
。R为碳原子数为1～10的亚烃基、或含氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、氮(N)、氧(O)、硫(S)、硅(Si)、硼(B)及磷(P)中的一种或几种的碳原子数为1～10的亚烃基。R
h
为F、Cl、Br、I、氰基(-CN)、碳原子数为1～10的烃基、或含F、Cl、Br、I、N、O、S、Si、B及P中的一种或几种的碳原子数为1～10的烃基。R
f
为F、Cl、Br、I、氰基(-CN)、碳原子数为1～10的烃基、或含F、Cl、Br、I、N、O、S、Si、B及P中的一种或几种的碳原子数为1～10的烃基。
[0041]R1为H、F、Cl、Br、I、-CN、碳原子数为1～10的烃基、或含F、Cl、Br、I、N、O、S、Si、B及P中的一种或几种的碳原子数为1～10的烃基。特别地，R1为H、-CH3、-C2H5、直链-C3H7、直链-C4H9或-(CH2CH2O)
v
CH3，v为1～8。
[0042]l为正整数，特别地，1≤l≤2500。
[0043]在式II中，Y为氮(N)、硫(S)或磷(P)，p为2或3。p的值与Y原子的价态相关。特别地，Y为N或P，p为3。特别地，Y为S，p为2。
[0044]R2为碳原子数为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功能化隔离膜，其特征在于，包括多孔基材以及设置于所述多孔基材至少一个表面的功能膜层；所述功能膜层包含无机粒子，所述无机粒子能与金属锂发生可逆反应形成锂合金。2.根据权利要求1所述的功能化隔离膜，其特征在于，所述无机粒子的体积平均粒径D
v
50为10nm～20μm，优选为50nm～10μm，更优选为200nm～2μm。3.根据权利要求1所述的功能化隔离膜，其特征在于，所述无机粒子选自硅、硅氧化合物SiO
a
、镁、铝、锌、铟、锑、银、金、锗及锡中的一种或几种，其中0＜a＜2。4.根据权利要求1至3任一项所述的功能化隔离膜，其特征在于，所述无机粒子的至少部分表面包覆有聚合物包覆层，所述包覆层含有与锂离子进行可逆键合的基团；所述与锂离子进行可逆键合的基团优选包括有机酸基团、氨基、亚氨基、巯基及多硫基团(-S
b-，b≥2)中的一种或几种，所述有机酸基团优选包括羧酸基团、磺酸基团、亚磺酸基团及磷酸基团中的一种或几种。5.根据权利要求4所述的功能化隔离膜，其特征在于，所述包覆层包括含有所述有机酸基团的聚烯酸；优选地，所述聚烯酸包括聚丙烯酸及聚乙烯苯磺酸中的一种或几种。6.根据权利要求1所述的功能化隔离膜，其特征在于，所述包覆层的厚度为1nm～1μm，优选为5nm～200nm，更优选为20nm～100nm。7.根据权利要求1至6任一项所述的功能化隔离膜，其特征在于，所述功能膜层还包括聚合物离子液体。8.根据权利要求7所述的功能化隔离膜，其特征在于，所述聚合物离子液体包含式I和式II所示的结构单元；其中，X为带负电荷的阴离子，优选为-COO
－
、-SO
3－
、-SO2N
－
SO2R
h
、-RCOO
－
、-RSO
3－
或-RSO2N
－
SO2R
f
；R和R2各自独立地为碳原子数为1～10的亚烃基、或含F、Cl、Br、I、N、O、S、Si、B及P中的一种或几种的碳原子数为1～10的亚烃基；R1和R4各自独立地为H、F、Cl、Br、I、-CN、碳原子数为1～10的烃基、或含F、Cl、Br、I、N、O、
S、Si、B及P中的一种或几种的碳原子数为1～10的烃基；R3、R
h
和R
f
各自独立地为F、Cl、Br、I、-CN、碳原子数为1～10的烃基、或含F、Cl、Br、I、N、...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成勇，郭永胜，范铨，张涛，梁成都，杨军，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：