一种用于锂金属电池的复合隔膜及其制备方法和应用技术

一种用于锂金属电池的复合隔膜及其制备方法和应用，属于电池技术领域。该复合隔膜是通过真空抽滤法在商业隔膜基底表面包覆聚偏氟乙烯以及改性氮化硼组成的有机

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂金属电池的复合隔膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于化学电源特别是锂金属电池
，尤其涉及一种复合隔膜的制备及其在锂金属电池中的应用。

技术介绍

[0002]随着社会的快速发展，以石墨为负极的锂离子电池体系所表现出的较低的能量密度越来越难以满足人类日常的需求。为了提高能量密度，以锂金属作为负极的高比能量的电池逐渐引起重视。锂金属由于具有高理论比容量(3680mAh g
‑1)以及最负的还原电位(
‑
3.04Vvs.标准氢电极)被认为是实现高比能电池的关键材料。然而，锂金属表面的凸起会增强局部电场，从而导致锂离子的不均匀沉积，进而引起锂枝晶的生长。锂枝晶的反复形成，会加速电解液的消耗，产生“死锂”，从而导致电池过早失效。同时，扩散的锂枝晶可能会刺穿隔膜，导致电池内部短路，引起电池起火甚至爆炸。因此，如何抑制锂枝晶的形成和生长已经成为实现锂金属电池产业化关键问题。针对锂负极面临的问题，研究人员已经采取了一些有效的方法，如采用三维框架、固态或凝胶电解质、构建人造固态电解质等。为锂金属构建三维框架可以降低局部电流密度并抑制锂沉积物的蔓延，但是电解液用量较大，以及三维框架较高的重量极大地降低了电池的实际能量密度。构建更稳定的人造固态电解质界面是另一种方法，但是其较低的机械强度和离子电导率使其难以长时间稳定。使用高模量固态或凝胶电解质可以有效抑制锂枝晶生长，但是其较低的离子电导率极大限制了电池在高倍率下运行。
[0003]作为电池不可或缺的一部分，隔膜在电池运行中扮演了举足轻重的角色，它可以隔离正负极并保证离子传输。商业化的电池隔膜由非极性的聚烯烃组成，其对锂离子和电解液缺乏亲和性，只能实现离子的被动传输，因此使用商业隔膜的锂金属电池难以避免的会产生锂枝晶。
[0004]相比于常用的稳定锂负极的方法，隔膜改性可以在大气环境下进行，具有工艺简单、成本低廉等特点。通过对商业隔膜表面进行改性，可以增加隔膜的强度以及对电解液的亲和性，从而实现降低电池内阻、抑制枝晶的目的。因此，对现有的商业隔膜进行改性是稳定锂金属负极的一条可行的途径。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种用于锂金属电池的复合隔膜及其制备方法和应用，解决现有锂金属负极在循环过程中存在的枝晶生长问题。本专利技术提供的复合隔膜由聚偏氟乙烯、以及改性氮化硼组成的有机
‑
无机复合改性层和商业隔膜组成，复合隔膜能有效调节锂离子分布并促进锂金属均匀沉积，抑制锂枝晶生长，提高锂金属电池的安全性能。该复合隔膜具有制备工艺简单、质量轻等特点，对电池能量密度影响小，基于此复合隔膜的锂金属电池表现出良好的循环稳定性。
[0006]本专利技术的技术方案
[0007]一种用于锂金属电池的复合隔膜，为商业化隔膜负载的有机
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无机复合隔膜。该复合隔膜包括商业化隔膜基底，基底表面包覆有聚偏氟乙烯以及改性氮化硼组成的有机
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无机复合改性层，复合改性层的厚度为0.5
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2.0μm。本专利技术直接对商业化隔膜进行改性。
[0008]本专利技术提出的用于锂金属电池的复合隔膜的制备方法为，将溶解有聚偏氟乙烯以及改性氮化硼胶体的分散液通过真空抽滤法构建在商业隔膜表面，并在30
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70℃的真空环境下干燥处理8
‑
20h以除去残余溶剂，得到所述的复合隔膜。所述聚偏氟乙烯的分子量为10000
‑
20000。
[0009]所述分散液中使用的溶剂为N
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甲基吡咯烷酮、N,N
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二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙醇、异丙醇、碳酸二甲酯或去离子水中的至少一种。聚偏氟乙烯与改性氮化硼的质量比为1.5
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2.5：7.5
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8.5，复合隔膜中改性氮化硼的载量为0.05
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0.2mg cm
‑2。
[0010]商业化隔膜改性之前进行预处理，预处理方式为商业隔膜分别使用去离子水和无水乙醇洗涤，然后在真空烘箱中以30
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70℃干燥8
‑
20h。
[0011]所述改性氮化硼通过高能球磨法获得，将不锈钢球磨珠、尿素与六方氮化硼加入到球磨罐中，控制质量比为120
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130：35
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45：0.5
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1.5，球磨机转速为400
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600rpm，连续球磨时间为5
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25h。随后将获得的球磨产物使用去离子水反复洗涤，通过干燥得到改性氮化硼。再将改性氮化硼加入溶剂之中，然后将分散液连续超声30
‑
120min，最后将超声处理后的分散液以9000
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12000rpm离心后得到改性氮化硼胶体分散液。
[0012]本专利技术提出的复合隔膜用于锂金属电池，在作为隔膜的同时能有效抑制锂枝晶生长。
[0013]本专利技术的优点和有益效果：
[0014]本专利技术提出一种复合隔膜，并将其用于锂金属电池。该复合隔膜为商业化隔膜、聚偏氟乙烯以及改性氮化硼组成的有机
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无机复合隔膜。该复合隔膜对电解液具有良好的亲和性，可以有效降低电池内阻。而且，复合隔膜含有大量的极性基团和纳米孔道，极性基团有效分散锂离子通量，纳米孔道可以实现锂离子流的筛分。在两种作用的协同下，锂金属负极可以实现均匀的沉积/剥离过程，从而避免了锂枝晶的生长。该复合隔膜具有制备工艺简单，质量轻等特点，对电池能量密度影响小。基于此复合隔膜的金属锂电池表现出良好的循环性能。
附图说明
[0015]图1是实施例1中六方氮化硼(a)和改性氮化硼(b)的扫描电镜图和它们的红外光谱图(c)；
[0016]图2是实施例2中改性氮化硼的扫描电镜图；
[0017]图3是实施例3中商业隔膜(a)和复合隔膜(b，c)的扫描电镜图；
[0018]图4是实施例4中复合隔膜的截面扫描电镜图；
[0019]图5是实施例5中商业隔膜(a)和复合隔膜(b)对电解液的亲和性测试和它们的界面阻抗测试(c)；
[0020]图6是实施例6采用商业隔膜(a)和复合隔膜(b)所得对称电池在1mAcm
‑2的电流密度下进行充放电各1h循环测试曲线；
[0021]图7是实施例7中使用商业隔膜(a)和复合隔膜(b)锂金属的沉积形貌；
[0022]图8是实施例8中基于两种不同隔膜的全电池循环性能图。
具体实施方式
[0023]为使本专利技术更加容易理解，下面将结合附图进一步阐述本专利技术的具体实施例。但是，附图及实施例不构成对本专利技术的任何限制。本专利技术可以以多种不同形式实现，并不限于本文所描述的实施例。
[0024]实施例1：
[0025]改性氮化硼的制备。
[0026]将不锈钢球磨珠、尿素和六方氮化硼以质量比125：40：1加入到球磨罐中，球磨机转速设置为500本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂金属电池的复合隔膜，其特征在于，该复合隔膜包括商业隔膜基底，基底表面包覆有聚偏氟乙烯以及改性氮化硼组成的有机
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无机复合改性层。2.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，复合改性层的厚度为0.5
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2.0μm。3.权利要求1所述的用于锂金属电池的复合隔膜的制备方法，其特征在于，将溶解有聚偏氟乙烯以及改性氮化硼胶体的分散液通过真空抽滤法构建在商业隔膜表面，并在真空环境下干燥以除去残余溶剂，所述聚偏氟乙烯的分子量为10000
‑
20000。4.根据权利要求3所述的复合隔膜的制备方法，其特征在于所述分散液中使用的溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮、N,N
‑
二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、乙醇、异丙醇、碳酸二甲酯或去离子水中的至少一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶占良，马陶，王俏然，杜海会，韩东，何丹，李海霞，陈军，梁静，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：