用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备和应用，按质量百分比计，所述三维多孔涂层包括如下组分：三维多孔微粉55

【技术实现步骤摘要】
用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，特别涉及一种用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备和应用。

技术介绍

[0002]随着锂电池在生产生活中应用的日益广泛，电池能量密度的快速提升，锂电池的安全性能也越来越重要。特别是在锂电池会因为外部或者内部因素发生热失控，导致严重的生命财产损失。目前行业技术的解决路径包括正负极材料进行改性增强稳定性，使用耐高温隔膜及电解液添加剂等。但热失控的温度往往超出了以上几种手段可以控制的范围。研究发现，早期电池大多由于隔膜崩溃引发大规模内短路引发热失控。但目前使用的耐高温隔膜配811正极动力电池，其热失控的机理已经发生变化，正极材料释氧变成了引发热失控的主因。实验结果表明，在没有内短路的情况下，把隔膜完全去掉，电解液抽干依然会发生热失控。当把正负极粉末混合进行测试，会出现剧烈的放热峰值。通过进一步的分析发现，充电态正极材料在250℃左右开始出现相变，并释放活性氧，产生的氧气与负极发生反应，放热量急剧增加。所以在新电池体系中，正负极氧化还原反应产生大量热量是导致热失控的直接原因，而不仅仅是传统电池体系中隔膜崩溃导致内短路引发热失控。然而，目前研究因氧化还原引发的热失控问题，也仅仅局限在某一方面，例如，对于正极释放活性氧的情况，一般会想到在电池隔膜面向正极的一面涂布活性氧吸收剂来避免其串扰至负极，而对于大量氧化性气体的吸收和隔膜收缩等问题，该方式又无法解决，不能综合且有效解决氧化还原引起的热失控问题。
[0003]中国专利CN109585749A公开了一种锂离子电池隔膜及具有其的锂离子电池，该专利技术通过在多孔基材层表面层叠吸氧层，构成多层结构的隔膜，使隔膜具有吸收氧气的能力，能够有效降低电池内氧气的含量，降低氧气穿透隔膜在有限空间内与强还原性的负极发生反应的机率，从而有效避免因氧气发生反应放热所引起的电池热失控，提高了电池的安全性。然而，该专利技术仅能解决正极释放活性氧而引发的热失控问题，且在过量活性氧产生的情况下，是否能有效吸收屏蔽正极释放的活性氧仍是个问题。而且涂覆有吸氧层的隔膜只能起到一层防护层的作用，在100多℃高温隔膜发生热收缩等失效情况下，则难以继续维持锂离子电池的安全性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的专利技术目的在于：针对上述存在的问题，提供一种用于锂离子电池的三维多孔涂层及其制备方法和应用，本专利技术通过三维多孔微粉来形成具有三维骨架结构的功能涂层，三维多孔微粉所具有的高比表面积、高孔隙率、低密度、低导热率的特点，在为气体吸收剂提供可靠依附点位的同时，能够在不影响锂离子电池能量密度、离子传输通路以及内阻的情况下，吸收由正极产生的氧化性气体，防止气体串扰，从整体上综合解决了锂离子热失控的问题，极大地提高了锂离子电池的安全性，克服了现有技术手段只能从某一方面解
决热失控问题的不足。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：一种用于锂离子电池的三维多孔涂层，按质量百分比计，所述涂层包括如下组分：三维多孔微粉55
‑
70%、粘结剂20
‑
40%和气体吸收剂5
‑
10%，所述气体吸收剂为活性氧吸收剂。
[0006]在本专利技术中，所述三维多孔微粉为高比表面积（400
‑
1800m2/g）、高孔隙率（≥95%）、低密度（0.03
‑
0.15g/cm3）、低导热率（0.014
‑
0.019W/(m.K）)的多孔材料，其平均粒径为1
‑
20μm（粒径不宜过大或过小，过大会使涂层过厚，大大降低电池能量密度，过小则会使涂层过于致密，颗粒的孔径也会过小，进而影响电解液浸润效果），平均孔径为10
‑
100nm（孔径不宜过大或过小，孔径的选择目的是需要达到适合锂离子通过通道，良好的浸润效果，较高的孔洞量，才能有高的比表面积）。三维多孔微粉为涂层提供三维骨架，气体吸收剂附着在三维多孔微粉的孔壁上，其具有的高比表面使得涂层具有超高吸收面（孔多表明内壁多，实际附着有气体吸收剂的可吸附面具有超高面积），可以增强对氧化性气体（氧气）的吸收速率，具有的高孔隙率不会对电解液的浸润和锂离子传输通路产生影响，因此不会导致内阻升高而对锂离子电池的电化学性能造成不良影响，同时，其具有的低密度特性不会明显降低电池能量密度，具有的低导热率能够使涂层具有良好的隔热作用，可对突发热量释放产生阻隔作用。
[0007]进一步，本专利技术的三维多孔微粉和粘结剂的占比不宜过大或过小，三维多孔微粉与粘结剂之间需要一个好的配比才能保证涂层有良好的成膜性，粘结剂偏少的话，浆料易沉降，膜易开裂掉粉，粘结剂偏多会增大膜质量占比，与轻量膜的改善相悖，本专利技术通过试验总结得到，三维多孔微粉占比55
‑
70%、粘结剂占比20
‑
40%是最合适的配比关系，能够保证具有良好的成膜性。相应地，气体吸收剂的占比也不宜过大或过小，气体吸收剂占比偏大会影响锂离子移动，且质量占比过大与轻量膜的改善相悖，气体吸收剂偏小则难以达到充分吸收产气的目的，通过试验总结得到，气体吸附剂占比5
‑
10%比较合适。
[0008]进一步，所述三维多孔微粉为具有三维多孔结构的氧化镁、二氧化锆、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝中的一种或多种。
[0009]进一步，所述三维多孔涂层的厚度为1
‑
35μm。
[0010]进一步，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、纤维素中的至少一种。
[0011]进一步，所述活性氧吸收剂包括具有不饱和脂环结构的酸酐的酯、酰胺、酰亚胺、二羧酸、酸酐聚合物中的至少一种，其热分解起始温度在200℃以上。
[0012]在本专利技术中，所述三维多孔涂层设置在锂离子电池的正极、负极或/和电池隔膜的表面。也即是说，本专利技术的三维多孔涂层不限于使用在电池隔膜上，其可以直接涂覆在正极或负极上，例如，可以将三维多孔涂层涂布在正极上，此时气体吸收剂为活性氧吸收剂，可以在不影响正极能量密度、离子传输通路以及内阻的情况下，能够吸收正极产生的活性氧，进而避免由此而引发的热失控问题，当然，其还可以同时涂在负极、正极和电池隔膜上，或者涂在负极和正极上，或者涂在负极和电池隔膜上，或者涂在正极和电池隔膜上。相应地，可以将此三维多孔涂层涂布在负极上，也可以在不影响离子传输通路和内阻的情况下，能够加强吸收正极产生的氧化性气体，并由此避免引发的热失控问题。当然，其还可以涂布在电池隔膜上，进而在锂离子电池中形成多层防护，极大地增强了锂离子电池的安全性，相比于传统通过电池隔膜来构建安全防护的手段，本专利技术能够从整体上综合来解决锂离子热失
控的问题，技术优势非常明显。
[0013]进一步，本专利技术还包括一种用于锂离子电池的三维多孔涂层的制备方法，包括以下步骤：A、将三维多孔微粉、粘结剂、气体吸收剂和溶剂混合均匀，制成浆料待用；其中所述溶剂的用量为三维多孔微粉重量的100
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池的三维多孔涂层，其特征在于，按质量百分比计，所述三维多孔涂层包括如下组分：三维多孔微粉55
‑
70%、粘结剂20
‑
40%和气体吸收剂5
‑
10%，所述气体吸收剂为活性氧吸收剂。2.如权利要求1所述的用于锂离子电池的三维多孔涂层，其特征在于，所述三维多孔微粉的平均粒径为1
‑
20μm，平均孔径为10
‑
100nm。3.如权利要求2所述的用于锂离子电池的三维多孔涂层，其特征在于，所述三维多孔微粉为具有三维多孔结构的氧化镁、二氧化锆、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝中的一种或多种。4.如权利要求3所述的用于锂离子电池的三维多孔涂层，其特征在于，所述三维多孔涂层的厚度为1
‑
35μm。5.如权利要求4所述的用于锂离子电池的三维多孔涂层，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、丁苯橡胶、纤维素中的至少一种。6.如权利要求1
‑
5任一所述的用于锂离子电池的三维多孔涂层，其特征在于，所述活性氧吸收剂包括具有不饱和脂环结构的酸酐的酯、酰胺、酰亚胺、二羧酸、酸酐聚合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖丞凡，朱高龙，
申请(专利权)人：四川新能源汽车创新中心有限公司，
类型：发明
国别省市：