一种含MOF功能涂层的锂离子电池复合隔膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种含MOF功能涂层的锂离子电池复合隔膜及其制备方法，该隔膜包括基膜以及涂覆于基膜单侧或两侧的涂层；其中，至少一侧涂层的活性功能材料为水系MOF材料，辅助材料包括无机纳米颗粒及助剂；水系MOF材料和无机纳米颗粒的质量比为1：(0～12.05)，不包括0。水系MOF材料具有高比表面积以及立体规整结构，有利于提高隔膜的锂离子传导能力、增强电池在高倍率条件下充放电的稳定性并促进锂离子的扩散及均匀沉积。因此，该隔膜可以显著提升电池的快速充放性能并且抑制电池循环过程中负极锂枝晶的生长，具有本发明专利技术中复合隔膜的锂电池具有良好的应用前景。池具有良好的应用前景。池具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种含MOF功能涂层的锂离子电池复合隔膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂电池(锂离子电池)的高性能复合隔膜领域。更具体地，涉及一种含MOF功能涂层的锂离子电池复合隔膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]在短时间内快速充电是解决电池续航能力差的有效途径。当电池具有超高速充电的能力时，不仅有利于减轻电池寿命的压力，也有助于它更好的发展。随着各行各业对能源需求的不断增长，作为储能设备的主要能量存储单元，锂离子电池(LIBs)在电化学性能和快速充放电能力方面都需要进一步提高。近年来，研究者为解决电池隔膜存在的问题做出了许多努力。例如，采用开发功能性隔膜促进锂离子的均匀沉积，提高LIBs的电化学性能；再者，研究一种在PP隔膜两侧进行不同功能层涂布的方法，从而改善负极锂枝晶生长的问题。但是，常规的涂覆隔膜涂层堆积密度大、涂层孔隙增加幅度有限，所以仍然存在随着循环次数增加、倍率越大，循环容量保持率越低、无法在快速充放电条件下长时间运行等特点。因此，需要提供一种具有良好吸液率、热稳定性，能够满足电池快速充放电需要的锂电池隔膜。
[0003]本专利技术主要是通过将活性材料MOF和无机纳米颗粒共混并将其均匀的涂覆于基膜的两侧，提供了一种含MOF功能涂层的锂离子电池复合隔膜的制备方法及应用。该种复合隔膜不仅提高了隔膜的热稳定性、吸液率以及以及离子电导率。更是在电池快速充放电的长循环过程中有效抑制了锂枝晶的生长。而且水系浆料避免了有机溶剂的使用，既安全环保，又降低生产成本。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的在于提供一种锂离子电池复合隔膜，该复合隔膜相比传统隔膜不仅提高了隔膜的热稳定性、吸液率以及离子电导率，更能在电池快速充放电过程中能为锂离子提供传输通道，提高对锂稳定性，在电池长循环过程中有效抑制锂枝晶的生长。
[0005]本专利技术的第二个目的在于提供上述锂电池双涂层复合隔膜的制备方法，水系原料避免了有机溶剂的使用，既安全环保，又降低生产成本。
[0006]无机纳米颗粒为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]一种含MOF功能涂层的锂离子电池复合隔膜，包括基膜以及涂覆于基膜单侧或两侧的涂层；
[0008]其中，至少一侧涂层的活性功能材料为水系MOF材料，辅助材料包括无机纳米颗粒及无机纳米颗粒助剂；其中水系MOF材料和无机纳米颗粒的质量比为1：(0～12.05)，不包括0。
[0009]本专利技术中复合隔膜中的涂层包括水系MOF材料和无机纳米颗粒，其中水系MOF材料具有的大量的微孔结构有利于储存更多的锂，MOF大的比表面积有益于缩短锂离子的扩散路径；Li
+
在充放电过程中可以从各个方向嵌入和脱出，提高了Li
+
的扩散速率，从而实现电
池的快速充放电。
[0010]由于多数MOF材料遇水容易结构坍塌，因此本专利技术选用了水系MOF材料，其大量的微孔结构有利于储存更多的锂，大的比表面积更有益于缩短锂离子的扩散路径。优选地，所述MOF材料选自Cu的咪唑类有机骨架化合物、MIL
‑
53(Fe)、Ag2(O
‑
IPA)(H2O)
·
(H3O)、MIL
‑
101、Ag5(PYDC)2(OH)或MOF
‑
801中的一种或几种。
[0011]优选地，所述无机纳米颗粒选自SiO2、TiO2、Al2O3、勃姆石、蒙脱土、ZrO2、BaSO4中的一种或几种。水系活性MOF材料与无机纳米颗粒，为锂离子的迁移提供更多的离子传输通道，使得Li
+
在充放电过程中可以从各个方向嵌入和脱出，在提高Li
+
的扩散速率的同时，有利于锂离子的均匀沉积，从而抑制锂枝晶的生长。
[0012]优选地，当所述基膜两侧均涂覆有涂层时，两侧涂层可以是对称涂覆，也可以是不对称涂覆。需要说明的是，由于基膜上至少一侧涂层以水系MOF材料为活性功能材料，另一侧涂层和其相同，为对称涂覆；另一侧涂层和其不同，为不对称涂覆。
[0013]当另一侧为不含有水系MOF材料的涂层时，其材料为聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯六氟丙烯、聚偏氟乙烯
‑
六氟丙烯共聚物、聚苯胺、聚氧化乙烯或芳纶中的至少一种。
[0014]优选地，所述基膜为聚丙烯微孔膜、聚乙烯微孔膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯膜、聚丙烯
‑
聚乙烯
‑
聚丙烯组合膜、PVDF及其衍生物膜、芳纶微孔膜、聚酰亚胺多孔膜、纤维素膜等。
[0015]优选地，所述复合隔膜的厚度为6～31μm；其中，所述基膜的厚度为5～25μm，所述单侧涂层的厚度为0.5～3μm。
[0016]例如，所述复合隔膜的厚度包括但不限于为10μm、15μm、20μm、25μm或30μm等；
[0017]所述基膜的厚度包括但不限于为8μm、10μm、13μm、16μm、18μm、22μm或25μm等；
[0018]所述单侧涂层的厚度包括但不限于为0.5μm、1μm、1.5μm、2μm或3μm等。
[0019]复合隔膜适合的孔隙率可以提供更多的锂离子储存空间，大孔隙率带来高的比表面积利于缩短锂离子的扩散路径，提高隔膜的离子电导率，进而满足锂电池快速充放电性能。优选地，本专利技术中所述复合隔膜的孔隙率为50～85％。
[0020]本专利技术第二方面提供了上述锂离子电池复合隔膜的制备方法，所述以水系MOF材料为活性功能材料的涂层的制备要是通过将无机纳米颗粒和水系MOF材料通过共混的方式，并将其均匀的涂覆于基膜的两侧。具体包括浆料制备和基膜涂覆工艺。
[0021]优选地，所述浆料制备步骤为：将无机纳米颗粒与部分助剂预混，球磨或砂磨，过滤，添加水系MOF材料以及剩余助剂，剪切分散，再过滤；所述基膜涂覆工艺为微凹转印、凹版转移或刮刀涂布。
[0022]在一个具体的示例中，所述助剂包括有润湿剂、偶联剂、增塑剂、润湿分散剂、粘结剂、防沉剂、消泡剂等。涂层制备的具体步骤如下：
[0023]将无机纳米颗粒、润湿剂、偶联剂、增塑剂、润湿分散剂和溶剂混合球磨或砂磨3～12h，过滤，得到混合物；
[0024]将粘结剂、混合物、防沉剂、消泡剂与水系MOF材料混合，剪切搅拌分散1～6h，用100
‑
300目的过滤布进行过滤，得涂层浆料；
[0025]将涂层浆料涂覆至基膜两侧，烘干，得复合隔膜。
[0026]本专利技术提供一种在具体的实施方式中，使用的物料的重量份数：
[0027][0028][0029]优选地，所述润湿分散剂为BYK111。
[0030]优选地，所述粘结剂为BYK
‑
LPC22346。
[0031]优选地，所述增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。
[0032]优选地，所述偶联剂为γ
‑
缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH560)。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含MOF功能涂层的锂离子电池复合隔膜，其特征在于，包括基膜以及涂覆于基膜单侧或两侧的涂层；其中，至少一侧涂层的活性功能材料为水系MOF材料，辅助材料包括无机纳米颗粒及助剂；水系MOF材料和无机纳米颗粒的质量比为1：(0～12.05)，不包括0。2.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述水系MOF材料选自Cu的咪唑类有机骨架化合物、MIL
‑
53(Fe)、Ag2(O
‑
IPA)(H2O)
·
(H3O)、MIL
‑
101、Ag5(PYDC)2(OH)或MOF
‑
801中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述无机纳米颗粒选自SiO2、TiO2、Al2O3、勃姆石、蒙脱土、ZrO2、BaSO4中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，当所述基膜两侧均涂覆有涂层时，两侧涂层可以是对称涂覆，也可以是不对称涂覆。5.根据权利要求4中所述的复合隔膜，其特征在于，另一侧不含有水系MOF材料的涂层，其材料包括：聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴大勇，杨璐烨，操建华，梁卫华，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：