一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜及其制备方法和锂金属电池技术

本发明专利技术公开了一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，包括两层聚偏氟乙烯

【技术实现步骤摘要】
一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜及其制备方法和锂金属电池


[0001]本专利技术涉及锂金属电池领域，特别涉及一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜及其制备方法和锂金属电池。

技术介绍

[0002]早在1970年代，锂金属电池就被提出可用于高能量密度电池领域，但由于其安全性和循环寿命短，锂金属电池几十年来一直停留在研发的最初阶段。其中锂沉积过程中锂枝晶的生长，这可能导致容量损失甚至引发短路。近年来，虽然安全性和循环效率得到了显着提升，但锂金属电池尚未实现大规模的商业化应用。相比之下，“摇椅式”锂离子电池以石墨作为阳极，以促进锂离子在电极反应中的反应，在1990年代已成功商业化用于便携式电子设备，最近又用于电动汽车应用。
[0003]随着电动汽车和便携式电子设备的功率和续航时间的增加，迫切需要开发具有高能量密度和稳定循环性能的电池。金属锂被认为是下一代电池最有前途的负极之一，因为它具有0.53g/cm3的低密度、
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3.04V的低负极电位和3860mAh/g的高比能量密度，这是在目前的商业锂离子电池中，明显优于石墨负极(372mAh/g)。然而，锂金属在电池中作为负极的应用仍然具有挑战性，因为在Li
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电镀/剥离过程中形成的锂枝晶会导致库仑效率低、容量衰减快、电解液消耗和安全问题。因此，许多努力致力于抑制锂金属电池中枝晶的生长，包括构建3D结构的锂负极，引入固体电解质、功能性隔膜、电解质添加剂等。
[0004]在这些研究中,功能性隔膜的引入是最有效的方法之一，因为它可以通过机械屏障抑制锂枝晶的形成或调节锂离子的传输和沉积，而不会显着增加电池的重量或体积。而当今商业化的聚烯烃隔膜热稳定性差，无法有效抑制锂金属的均匀沉积和锂枝晶的生长，一旦锂枝晶穿透隔膜，电池将会内短路、热失控，甚至是燃烧爆炸。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，具有亲液性好，孔隙率大，离子电导率优异，能够明显抑制锂枝晶生长的优点。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜的制备方法，具有合成方法简单、操作环境易于实现的特点。
[0007]本专利技术的再一目的在于提供一种锂金属电池，电池在25℃下以2C的倍率充放电，200圈后容量保持率高达99.6％。同时，所组装的扣式电池表现出优异的倍率性能。
[0008]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0009]一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，包括两层聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层及位于两层聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层之间的聚乙烯醇基纳米纤维层；
[0010]所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层为聚偏氟乙烯
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六氟丙烯、巯基丙基笼型
倍半硅氧烷和双键封端的笼型倍半硅氧烷在光引发剂的引发下发生点击反应后生成的三维网络；
[0011]所述聚乙烯醇基纳米纤维层为聚乙烯醇、巯基丙基笼型倍半硅氧烷和双键封端的笼型倍半硅氧烷在光引发剂的引发下发生点击反应后生成的三维网络。
[0012]优选的，所述双键封端的笼型倍半硅氧烷为八乙烯基笼型倍半硅氧烷(VSQ)或八甲基丙烯酸酯基笼型倍半硅氧烷(MASQ)。
[0013]优选的，所述光引发剂为二苯甲酮(BP)。
[0014]优选的，所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层中，所述巯基丙基笼型倍半硅氧烷、双键封端的笼型倍半硅氧烷的总质量与聚偏氟乙烯
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六氟丙烯的质量比为0.01～0.2:1。
[0015]优选的，所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层中，双键封端的笼型倍半硅氧烷与巯基丙基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1:0.2～1。
[0016]优选的，所述聚乙烯醇基纳米纤维层中，双键封端的笼型倍半硅氧烷与巯基丙基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1:0.2～1；所述双键封端的笼型倍半硅氧烷与巯基丙基笼型倍半硅氧烷的总质量与聚乙烯醇的质量比为0.1％～5％。
[0017]优选的，所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层中，光引发剂的加入量为聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层总质量的0.5％～5％；
[0018]所述聚乙烯醇基纳米纤维层中，光引发剂的加入量为聚乙烯醇基纳米纤维层总质量的0.5％～5％。
[0019]优选的，所述有机无机杂化隔膜的厚度为50～100μm，其中，聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层与聚乙烯醇基纳米纤维层的厚度比为1:0.6～2。
[0020]所述锂金属电池的有机无机杂化隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0021]聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纺丝液的配制：将巯基丙基笼型倍半硅氧烷、双键封端的笼型倍半硅氧烷和光引发剂溶于第一溶剂中，溶解完全后加入聚偏氟乙烯
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六氟丙烯，搅拌至溶解完全，得到聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纺丝液；
[0022]聚乙烯醇基纺丝液的配制：将巯基丙基笼型倍半硅氧烷、双键封端的笼型倍半硅氧烷和光引发剂溶于第二溶剂中，再加入聚乙烯醇固体，溶解完全后得到聚乙烯醇基纺丝液；
[0023]纳米纤维膜的制备：将聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纺丝液和聚乙烯醇基纺丝液分别加入到注射器中，之后在紫外光照射下交替静电纺丝进行三明治结构纳米纤维膜的制备，并在乙醇中洗涤并干燥，得到有机无机杂化隔膜。
[0024]一种锂金属电池，包括所述的锂金属电池的有机无机杂化隔膜。
[0025]优选的，所述第一溶剂为N,N
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二甲基乙酰胺(DMAc)和丙酮(ACE)的混合液，其中N,N
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二甲基乙酰胺和丙酮体积比为(0.4～1)：1。
[0026]优选的，所述第二溶剂为NMP和水的混合溶剂，其中，水和NMP体积比为8～9:1。
[0027]优选的，PVDF
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HFP的分子量范围为200000～400000。
[0028]优选的，PVA的分子量范围为100000～300000。
[0029]优选的，PVDF
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HFP纤维层的纺丝参数设置如下：纺丝电压为17～19kV,纺丝速度为2～3ml/h，针尖到接收器的距离设置为10～15cm；PVA纤维层的纺丝参数设置如下：纺丝电
压为21～25kV,纺丝速度为0.5～0.6ml/h，针尖到接收器的距离设置为10～15cm；接收器处紫外灯照度为25mW/cm2。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0031](1)本专利技术的锂金属电池的有机无机杂化纳米纤维隔膜，其亲液性好，孔隙率大，离子电导率优异，能够明显抑制锂枝晶的生长等优点。其中，PVDF
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HFP与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，其特征在于，包括两层聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层及位于两层聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层之间的聚乙烯醇基纳米纤维层；所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层为聚偏氟乙烯
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六氟丙烯、巯基丙基笼型倍半硅氧烷和双键封端的笼型倍半硅氧烷在光引发剂的引发下发生点击反应后生成的三维网络；所述聚乙烯醇基纳米纤维层为聚乙烯醇、巯基丙基笼型倍半硅氧烷和双键封端的笼型倍半硅氧烷在光引发剂的引发下发生点击反应后生成的三维网络。2.根据权利要求1所述的一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，其特征在于，所述双键封端的笼型倍半硅氧烷为八乙烯基笼型倍半硅氧烷或八甲基丙烯酸酯基笼型倍半硅氧烷。3.根据权利要求1所述的一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，其特征在于，所述光引发剂为二苯甲酮。4.根据权利要求1所述的一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，其特征在于，所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层中，所述巯基丙基笼型倍半硅氧烷、双键封端的笼型倍半硅氧烷的总质量与聚偏氟乙烯
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六氟丙烯的质量比为0.01～0.2:1。5.根据权利要求1所述的一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，其特征在于，所述聚偏氟乙烯
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六氟丙烯基纳米纤维层中，双键封端的笼型倍半硅氧烷与巯基丙基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1:0.2～1。6.根据权利要求1所述的一种锂金属电池的有机无机杂化隔膜，其特征在于，所述聚乙烯醇基纳米纤维层中，双键封端的笼型倍半硅氧烷与巯基丙基笼型倍半硅氧烷的摩尔比为1:0.2～1；所述双键封端的笼型倍半硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：许凯，宋璇，桂雪峰，林琼，李东霞，林绮欣，
申请(专利权)人：国科广化精细化工孵化器南雄有限公司国科广化南雄新材料研究院有限公司中科院广州化学有限公司，
类型：发明
国别省市：