CN113346192A - 一种锂离子电池复合隔膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种锂离子电池复合隔膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池复合隔膜及其制备方法和应用。本发明复合隔膜包括隔膜基体，附着在隔膜基体表面的锂金属层，附着在锂金属层表面的外保护层。本发明提供的复合隔膜通过一种简单且易大规模化的技术在附陶隔膜的靠近负极一面沉积金属锂层和保护层，附陶隔膜进行表面处理，并加上过渡层的引入，有效增强了附陶隔膜与金属锂层之间的结合力，保证了电池组装过程中的复合隔膜稳定性，保护层可以减少金属锂与氧气和水分之间的反应，增加金属锂层在空气中的稳定性，当组装成电池后，金属锂层能有效对电池循环过程中锂元素的损失进行补给。

Description

一种锂离子电池复合隔膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池复合隔膜及其制备方法和应用。
背景技术
随着社会发展和技术进步，电子产品的普遍应用已经成为大趋势，锂离子电池因其高比能量和长循环寿命的显著优势，被广泛应用于移动通讯、手提电脑、数码相机等电子产品的电源，近年来，高的能量密度和优秀的循环稳定性成为锂电池的重要研发方向，然而高的能量密度带来的电极材料的不稳定，使得电池安全性能得到了极大重视，长时间的循环容量保持率也是锂电池能否广泛应用的关键因素。目前常用的隔膜为多孔高分子薄膜，既是离子迁移的通道，又起到正负极材料间的隔膜作用，附陶隔膜是在多孔高分子多孔膜基材的前提下，上下表面均涂布了一层以氧化物和粘结剂为主的陶瓷面，增加了原膜的机械强度，组装成电池，在耐高温、防穿刺等方面表现出优异性能。
CN106129315A公开了一种锂离子电池复合隔膜及其制备方法、锂离子电池，并具体公开了包括隔膜基体，所述隔膜基体为聚烯烃微孔膜或者表面涂覆有陶瓷层的聚烯烃微孔膜，所述隔膜基体表面涂覆有补锂层，所述补锂层含有锂粉。该技术方案的复合隔膜通过在隔膜表面设置补锂层，填补了形成SEI膜所需的锂，为负极极片表面形成SEI膜消耗的锂离子提供补充，然而补锂层中锂粉与高分子聚合物的混合物，相对于纯金属锂层具有以下不足：1.金属锂粉表面往往具有较厚的氧化层，氧化层的存在不仅降低了有效活性锂的量，而且增加了在补锂过程中金属锂被利用的难度，影响电池的能量密度和补锂效果；2.大量不导电的高分子聚合物的存在不仅影响了补锂层电子的传输，而且增加了额外的非活性质量，进一步影响电池的能量密度和补锂效果；3.补锂层没有增加保护层，直接暴露出来容易与空气氧气和水分反应，增加了生产实际中的操作难度。因此还存在改进空间。
CN112599928A公开了一种具有补锂效果的复合隔膜及其制备方法和锂离子电池，包括基膜、分别位于基膜上表面和下表面的第一陶瓷涂层和第二陶瓷涂层、以及位于所述第一陶瓷涂层上表面的补锂凝胶涂层和位于所述第二陶瓷涂层下表面的凝胶涂层。该技术方案中补锂凝胶涂层防止硅碳负极发生过度锂化出现析锂，但是，补锂凝胶涂层厚度是不可控的，并不能实现对硅碳负极极片的均匀精准补锂，而且补锂层没有增加保护层，直接暴露出来容易与空气氧气和水分反应，因此还存在改进空间。
因此，现有技术中仍缺少一种能够长期提升电池长期循环容量稳定性的锂离子电池复合隔膜。
发明内容
针对现有技术的改进需求，本发明提供了一种锂离子电池复合隔膜，包括锂金属层和保护层，金属锂层的引入，有效提升了电池内部锂元素的含量，对于提升电池长期循环容量稳定性有着重要意义；因锂元素较活泼，所以在金属锂层表面再镀一层保护层，不仅能有效隔绝外界空气对金属锂的腐蚀，并且能与金属锂形成合金，使活性的金属锂能参与电化学反应。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种锂离子电池复合隔膜，包括隔膜基体，附着在隔膜基体表面的锂金属层，附着在锂金属层表面的外保护层。
作为优选，还包括内保护层，所述内保护层位于所述隔膜基体和所述锂金属层之间。
作为优选，所述外保护层为金属铝、金属镍、金属锌、金属铬、金属锡、金属银和任意两种以上金属合金中的任意一种，优选为金属铝。
作为优选，所述内保护层为金属铝、金属镍、金属锌、金属铬、金属锡、金属银和任意两种以上金属合金中的任意一种。
作为优选，所述隔膜基体包括高分子多孔膜基材和附着在高分子多孔膜基材表面的陶瓷层，所述陶瓷层位于所述锂金属层一侧，优选的，所述高分子多孔膜基材包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和乙烯与丙烯的共聚物(PE/PP)中的至少一种，所述陶瓷层包括氧化涂料和粘结剂的混合物，所述氧化涂料为三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的至少一种。
作为优选，所述锂金属层的厚度为0.05-10um，优选为0.5-5um；所述内保护层厚度为20-500nm，优选为50-100nm；所述外保护层的厚度为0.05-5um，优选为0.2-3um。
按照本发明的另一方面，提供了一种所述的复合隔膜的制备方法，在隔膜基体表面通过真空连续镀设备依次制备锂金属层和外保护层。
作为优选，还制备了内保护层，具体为通过真空连续镀设备依次制备内保护层、锂金属层和外保护层，优选的，所述真空连续镀为真空蒸镀法、电子束蒸发法、热蒸发法和磁控溅射法中的一种。
作为优选，所述隔膜基体在真空连续镀之前进行了表面预处理，优选的，所述表面预处理为等离子处理、离子注入、离子镀和激光表面处理中的一种。
按照本发明的另一方面，提供了一种锂离子电池，包括正极、负极、电解液和前面所述的复合隔膜，所述复合隔膜的外保护层位于负极一侧。
本发明的有益效果有：
(1)本发明提供的复合隔膜通过一种简单且易大规模化的技术在附陶隔膜的靠近负极一面沉积金属锂层和保护层，附陶隔膜进行表面处理，并加上过渡层的引入，有效增强了附陶隔膜与金属锂层之间的结合力，保证了电池组装过程中复合隔膜的稳定性。
(2)本发明提供的复合隔膜与商业化的附陶隔膜相比，本发明的复合隔膜在保证高的离子电导率、极低的电子导电性以及高的化学和电化学稳定性的前提下，由于金属锂层的引入，补充电池在电化学循环过程中锂的损失，有效提升电池的能量密度和循环性能，保护层的可以减少金属锂与氧气和水分之间的反应，增加金属锂层在空气中的稳定性，，并且能与金属锂形成合金，使活性的金属锂能参与电化学反应，有效对电池循环过程中锂元素的损失进行补给。
附图说明
图1是本发明复合隔膜的结构示意图；
图2是真空连续镀设备路线示意图；
图3为复合隔膜和普通隔膜组装软包电池首圈充放电循环；
图4为复合隔膜和普通隔膜组装软包电池1C倍率充放电循环；
图5为不同条件下复合隔膜组装软包电池1C倍率充放电循环。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：高分子多孔膜基材1、陶瓷层2、内保护层3、锂金属层4、外保护层5、真空泵6、放卷轴7、一号冷却辊8，二号冷却辊9，三号冷却辊10、一号蒸发舟11，二号蒸发舟12，三号蒸发舟13、收卷轴14、可视窗15。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例中复合隔膜的真空连续镀设备如图2所示，将卷材结构的隔膜基体作为基体层，卷绕在放卷轴7的滚筒上，沿隔膜基体的前进方向，依次设置有一号冷却辊8，二号冷却辊9，三号冷却辊10，最后到达收卷轴14的滚筒上，真空连续镀设备设置有真空泵6用于抽真空，还可视窗15位于观测。
一号冷却辊8下方设置有一号蒸发舟11，用于进行第一次真空镀膜；同理，二号冷却辊9下方设置有二号蒸发舟12，用于进行第二次真空镀膜；三号冷却辊10下方设置有三号蒸发舟13，用于进行第三次真空镀膜。就这样，随着隔膜基体的前进，实现3次连续真空镀膜。真空镀膜后的膜如图1所示，隔膜基体包括，高分子多孔膜基材1和陶瓷层2，在陶瓷层2上依次真空镀有内保护层3、锂金属层4、外保护层5。
以下为具体实施方式。
实施例1
一种复合隔膜，隔膜基体包括高分子多孔膜基材与陶瓷层，厚度分布为8um和2um，内保护层为金属镍，厚度为50nm，锂金属层的厚度为500nm,外保护层为金属铝，厚度为1um。通过以下方法制备而成：
步骤一：将卷材结构的隔膜基体作为基体层，卷绕在滚筒上；
步骤二：滚筒设备置于真空环境中，真空度≤10-3Pa；
步骤三：对隔膜基体表面进行等离子处理，提升表面附着力；
步骤四：在真空环境中，依次将镍靶材、锂靶材和铝靶材进行电阻加热熔融蒸发，得到气态的金属镍、金属锂和金属铝；
步骤五：气态的金属镍与附陶隔膜表面接触附着形成过渡层，然后金属锂附着在金属镍的外表面，最后由金属铝形成一层保护层；
步骤六：通过滚筒来回滚动蒸镀多次，得到蒸镀厚度分为50nm的金属镍过渡层、500nm的金属锂层和厚度1um的金属铝层；
步骤七：完成以上步骤后，可得到所需的复合隔膜。
实施例2
一种复合隔膜，隔膜基体包括高分子多孔膜基材与附陶层，厚度分布为8um和4um，内保护层为镍铬合金，厚度为100nm，金属锂层的厚度为1um,外保护层为铝锌合金，其厚度为1um,制作方法包括以下步骤：
步骤一：将卷材结构的附陶隔膜作为基体层，卷绕在滚筒上；
步骤二：滚筒设备置于真空环境中，真空度≤10-3Pa；
步骤三：对附陶隔膜表面进行离子注入处理，提升表面附着力；
步骤四：在真空环境中，依次将镍铬靶材、锂靶材和铝锌靶材进行电子束加热熔融蒸发，得到气态的镍铬合金、锂金属、铝锌合金；
步骤五：气态的镍铬合金与附陶隔膜表面接触附着形成过渡层，然后金属锂附着在过渡层的外表面，最后由铝锌合金形成一层保护层；
步骤六：通过滚筒蒸镀一次，即可依次得到蒸镀厚度分别为100nm的镍铬合金过渡层、1um的金属锂层和厚度1um的铝锌合金保护层；
步骤七：完成以上步骤后，可得到所需的复合隔膜；
对比实施例1
本实施例不包括金属层，仅仅为实施例1中的隔膜基体，包括高分子多孔膜基材与陶瓷层，厚度分布为8um和2um。
对比实施例2
将1重量份锂粉、1重量份石墨烯、10重量份聚乙烯和10重量份聚亚丙基碳酸脂一起融化搅拌均匀后，将浆料涂敷在附陶隔膜表面，涂敷厚度为2um，制作得到复合隔膜。
测试实施例1
将实施例1制备的复合隔膜与对比实施例1的隔膜基体分别组装成同一型号锂电池(NCM523-石墨)，如图3，复合隔膜电池表现出95％首圈效率，高于普通附陶隔膜电池的92％首圈效率，图4是两种电池在1C倍率下充放电循环图，复合隔膜电池在1C倍率下循环230圈，容量保持率在85％，而附陶隔膜电池在1C倍率下循环230圈，容量保持率为78％，金属锂层的加入使得复合隔膜表现出优秀的循环稳定性。图5是将复合隔膜置于50％湿度环境房间下24h、48h和72h，然后将不同条件下复合隔膜进行电池组装，并在1C倍率下进行充放电循环测试，可以看到没有明显的容量差别，表明金属铝保护层有效地隔绝了空气中水和氧气对金属锂层地氧化。
测试实施例2
将实施例2制备的复合隔膜与对比实施例1的隔膜基体分别组装成同一型号锂电池，复合隔膜电池表现出97％首圈效率，高于附陶隔膜电池的92％首圈效率，复合隔膜电池在1C倍率下循环300圈，容量保持率在90％，而附陶隔膜电池在1C倍率下循环300圈，容量保持率为83％，金属锂层的加入使得复合隔膜组装电池表现出优秀的循环稳定性。
测试实施例3
将实施例2制备的复合隔膜与对比实施例2的复合隔膜分别组装成同一型号锂电池(NCM523-石墨)，实施例1的复合隔膜电池表现出95％首圈效率，对比例复合隔膜电池首圈效率低于90％，实施例1的复合隔膜电池在1C倍率下循环230圈，容量保持率在85％，而对比例复合隔膜电池在1C倍率下循环230圈，容量保持率为79％，并且对比例的复合隔膜与实施例1的复合隔膜相比，质量增加了18％，实施例1的复合隔膜电池有着更高的能量密度，并且将对比例制备的复合隔膜放置50％湿度的房间24h后，组装的电池首圈效率85％，1C倍率下循环230圈，容量保持率80％，可以看出没有保护层的复合隔膜，空气中稳定性较差，因为表面锂的氧化较严重，与实施例1的复合隔膜相比，补锂效果也较差，表面金属铝层保护层的加入使得复合隔膜表现出优秀的补锂性能及循环稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池复合隔膜，其特征在于，包括隔膜基体，附着在隔膜基体表面的锂金属层，附着在锂金属层表面的外保护层。
2.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，还包括内保护层，所述内保护层位于所述隔膜基体和所述锂金属层之间。
3.根据权利要求1或2所述的复合隔膜，其特征在于，所述外保护层为金属铝、金属镍、金属锌、金属铬、金属锡、金属银和任意两种以上金属合金中的任意一种，优选为金属铝。
4.根据权利要求2所述的复合隔膜，其特征在于，所述内保护层为金属铝、金属镍、金属锌、金属铬、金属锡、金属银和任意两种以上金属合金中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的复合隔膜，其特征在于，所述隔膜基体包括高分子多孔膜基材和附着在高分子多孔膜基材表面的陶瓷层，所述陶瓷层位于所述锂金属层一侧，优选的，所述高分子多孔膜基材包括聚乙烯、聚丙烯和乙烯与丙烯的共聚物中的至少一种，所述陶瓷层包括氧化涂料和粘结剂的混合物，所述氧化涂料为三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的至少一种。
6.根据权利要求2所述的复合隔膜，其特征在于，所述锂金属层的厚度为0.05-10um，优选为0.5-5um；所述内保护层厚度为20-500nm，优选为50-100nm；所述外保护层的厚度为0.05-5um，优选为0.2-3um。
7.根据权利要求1-6任一项所述的复合隔膜的制备方法，其特征在于，在隔膜基体表面通过真空连续镀设备依次制备锂金属层和外保护层。
8.根据权利要求7所述的复合隔膜的制备方法，其特征在于，还制备了内保护层，具体为通过真空连续镀设备依次制备内保护层、锂金属层和外保护层，优选的，所述真空连续镀为真空蒸镀法、电子束蒸发法、热蒸发法和磁控溅射法中的一种。
9.根据权利要求7所述的复合隔膜的制备方法，其特征在于，所述隔膜基体在真空连续镀之前进行了表面预处理，优选的，所述表面预处理为等离子处理、离子注入、离子镀和激光表面处理中的一种。
10.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极、负极、电解液和权利要求1-6任一项所述的复合隔膜，所述复合隔膜的外保护层位于负极一侧。
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