一种抗燃爆、高吸液率、超薄锂/钠金属电池用陶瓷纤维隔膜的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种抗燃爆、高吸液率、超薄锂/钠金属电池用陶瓷纤维隔膜的制备方法。该发明专利技术不使用传统热稳定性差的聚烯烃类材质，改用含铝、硅、硼等特定元素的无机材料，通过熔融甩丝法制成结构致密、孔隙分布均匀、热学性能稳定的陶瓷纤维隔膜。该隔膜孔隙率高且具浸润性良好，其吸液率高达912%；与传统商用聚合物隔膜相比，陶瓷纤维隔膜抗燃爆性和耐热性能优异，最高可承受1200℃，所组装锂/钠金属电池通过穿刺测试检验；隔膜中所含特殊元素可与电解液作用，在电极表面形成致密、均匀的固态膜结构，这使得电池正极拥有更优异的循环寿命。这使得电池正极拥有更优异的循环寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种抗燃爆、高吸液率、超薄锂/钠金属电池用陶瓷纤维隔膜的制备方法


[0001]本专利技术涉及电池隔膜
，具体涉及一种抗燃爆、高吸液率、超薄锂/钠金属电池用陶瓷纤维隔膜的制备方法。

技术介绍

[0002]隔膜是电池体系中必不可少的组成单元，它既是离子良导体，同时又要是电子绝缘体，确保电池正负极隔开，避免电池短路、热失控及燃爆事故的发生。总体上，隔膜对于电池体系内阻、长循环寿命、安全等性质方面起着至关重要的影响，故被认为是电池体系中壁垒最高的

[0003] 目前市场化的隔膜均采用聚烯烃类有机材质。然而，此类有机材料普遍存在热稳定性差的问题，即聚合物隔膜约在100 ℃左右开始热收缩，这使得薄膜内孔隙闭合，离子传输受阻，电池循环稳定性迅速衰退。若电池温度进一步上升至160 ℃，此类隔膜会完全融化消失，这必将导致电池正负极短接，引发剧烈热失控现象，甚至爆发严重的燃爆事故。因此，使用聚烯烃类隔膜存在安全风险，特别是对于高比能量锂/钠金属电池体系；提高隔膜抗燃爆性已成为发展新一代锂/钠金属电池的关键。除此之外，隔膜吸液率也是一项重要技术指标，它反映了电解液与隔膜的浸润效果，该参数与电池内阻、比容量、材料利用率等存在密切的关联性。一般地，隔膜吸液率低通常表示了电解液与隔膜的浸润效果不佳，未浸润的地方会在充放电过程中形成黑斑，引发电池容量下降。
[0004]当前解决上述问题的核心策略为在聚烯烃类薄膜上涂覆耐高温、高吸液率的无机陶瓷（如：氧化铝等）修饰层，实现高安全性一体化电池隔膜产品。然而，该方法仍采用聚烯烃类薄膜作为基础膜，在高于160℃环境下依旧会发生收缩融化现象，并未从根源上克服有机薄膜热稳定性差的问题。另外，随着电池循环次数的增加，附着在聚烯烃隔膜上的无机陶瓷颗粒容易从基础膜表面脱落，陶瓷涂层还面临失效的问题。
[0005]采用全无机（即未使用任何有机膜）、高浸润、多孔纤维状陶瓷隔膜能从根本上解决电池安全性问题。目前市面上电池级无机纤维隔膜产品（如：玻璃纤维膜）主要由英国Whatman公司生产，其最高耐热温度也仅为450℃（低于电池燃爆峰值温度）、成本高昂且厚度大（自然厚度超200 μm；压缩状态下厚度仍高于120 μm），采用该隔膜会使得电池总体积/质量增加，电池单位体积/质量能量值大幅降低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种抗燃爆、高吸液率、超薄锂/钠金属电池用陶瓷纤维隔膜的制备方法。所制备的隔膜满足抗燃爆需求，同时还具备高吸液率和超薄特性，所组装的锂/钠金属高能量密度电池具有优异的循环性和倍率性能。具体内容包括以下步骤：（1）按照以下无机原料质量百分比进行反应物料配置：硅氧化合物占比40.00
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60.00%、硼氧化合物占比0
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10%，铝氧化合物占比30.00
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50.00%；
RPM）辅助下，将熔融的原料以纤维的形式甩至不锈钢基底上，通过快速冷却的方式获得微观纤维尺寸为0.4
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4 μm的纤维薄膜；（3）将步骤（2）获得的网状纤维薄膜用扣式电池切片机裁剪成16 mm陶瓷纤维隔膜圆片，经5 MPa压缩后厚度不高于50 μm。
[0023]该陶瓷纤维隔膜扫描电镜照片如图1所示，纤维直径在0.4
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4 μm范围内。图2为陶瓷纤维隔膜的耐热性能检测，测试结果表明陶瓷纤维隔膜未融化，而其它无机隔膜（如：玻璃纤维膜）在数秒钟后即完全融化。陶瓷纤维隔膜与玻璃纤维隔膜浸润性测试对比图如图3所示；明显地，陶瓷纤维隔膜浸润性优于玻璃纤维隔膜。针刺测试图如图4所示，装有陶瓷纤维隔膜的软包电芯在22.0 ℃，气压为98.89 kPa的条件下进行了针刺实验，整个穿刺过程电池未发生冒烟、起火、爆炸等现象。
[0024]2. 电池组装（以钠金属电池为例）与循环性能研究（1）分别将陶瓷纤维隔膜和商用玻璃纤维电池隔膜切割成直径为16 mm的圆片；（2）正极材料与极片制备：所述正极活性物为Na3V2(PO4)3，正极片则是通过传统电极涂布工艺制得，即将Na3V2(PO4)3、乙炔黑和聚偏氟乙烯粘结剂按8:1:1比例混合，而后加入适量的N
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甲基吡咯烷酮有机溶剂，在室温下球磨8~12小时制得黑色粘稠浆料；用刮刀将浆料涂布至碳布集流体电极上，干燥处理后即得正极片；（3）电池组装与性能检测：将钠金属负极片、Na3V2(PO4)3正极片、NaPF6/EC
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DMC
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EMC电解液分别与陶瓷纤维和玻璃纤维隔膜组装成钠金属电池，在室温环境下对该电池系统进行电化学性能检测。图5和图6分别为钠金属电池的循环寿命测试结果和倍率性能测试结果图。由图可知，相较于玻璃纤维，陶瓷纤维隔膜组装的电池具有更稳定的循环性能、更高的首圈比容量和更优异的倍率性能。
[0025]以上显示和描述了本专利技术的基本原理、主要特征和本专利技术的优点。本行业的技术人员应该了解，本专利技术不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本专利技术的原理，在不脱离本专利技术精神和范围的前提下，本专利技术还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本专利技术范围内。本专利技术要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗燃爆、高吸液率、超薄锂/钠金属电池用陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：（1）按以下无机原料质量百分比配置反应物料：硅氧化合物占比40.00
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60.00%、硼氧化合物占比0
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10%，铝氧化合物占比30.00
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50.00%；（2）将步骤（1）配置的原料投置于电阻炉内加热熔融，而后在甩丝机辅助下，将熔融浆料以微/纳米纤维形式甩至不锈钢基底上，通过快速冷却的方式获得纤维薄膜；（3）将制得的陶瓷纤维膜裁剪成圆片，并用于扣式电池组装和检测。2.如权利要求1所述的一种抗燃爆、高吸液率超薄锂/钠金属电池用陶瓷纤维隔膜的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，硅氧化合物为二氧化硅，硅氧化合物总质量百分比为40...

【专利技术属性】
技术研发人员：张露，闫志豪，张睿涵，蒋建，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：