一种锂离子电池用全陶瓷隔膜及其制备方法

摘要

本发明涉及一种锂离子电池用全陶瓷隔膜及其制备方法，属于隔膜材料领域。该方法以天然多孔矿物硅藻土为主要原料，加入碳酸锂及少量二氧化钛，并使用少量粘结剂，模压成型后高温煅烧，可得到以钛掺杂硅酸锂为主成分的锂离子电池用全陶瓷隔膜。该全陶瓷隔膜热稳定温度超过800℃，有效避免传统锂离子电池因隔膜受热收缩变形导致的电池内部短路起火问题，显著提升锂离子电池的安全性。该全陶瓷隔膜孔隙率高、吸液率大，并且隔膜中钛掺杂硅酸锂组分能够促进锂离子电池电解液中锂盐的解离，促进锂离子传输，提高电池在大电流充放电及长时间运行的容量保持率。

权利要求

1.一种锂离子电池用全陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、粘结剂、溶剂按一定质量比例混合均匀，模压成型，75℃烘干；将干燥的成型样品置于马弗炉中煅烧至810‑850℃，保温7‑10小时；煅烧样品经表面抛光后得到该锂离子电池用全陶瓷隔膜；所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)；所述溶剂为N‑甲基吡咯烷酮(NMP)或N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)；所述硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、粘结剂、溶剂的质量比为40‑60：35‑55：0.2‑0.6：0.4‑0.8：4。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用全陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述将干燥的成型样品置于马弗炉中煅烧，其升温速率为3‑6℃/分钟。

3.一种锂离子电池用全陶瓷隔膜，其特征在于：按照权利要求1‑2任一种方法制得。

说明书

一种锂离子电池用全陶瓷隔膜及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于锂离子电池隔膜技术领域，涉及一种耐高温、适合大电流充放电的动力型锂离子电池隔膜及其制备方法。
背景技术：

[0002] 锂离子电池的广泛应用促进了电动汽车的发展，而作为电池核心部件的隔膜正迎来新一轮的发展高峰。使用在动力锂离子电池中的隔膜与普通锂离子电池隔膜有明显不
同，前者为汽车等交通工具提供动力，需要提供更高的电压、更大的功率以及更多的电量，
因此，对隔膜提出了更高的要求。目前，商品化的锂离子电池隔膜材料主要为多孔聚烯烃如
聚乙烯(PE)、聚丙烯/聚乙烯(PP/PE)膜等，尽管聚烯烃隔膜用于锂离子电池有诸多优点，但
其孔隙率低、对电解液润湿性差等问题，不利于动力电池大电流充放电和长时间使用的容
量保持。同时，聚烯烃膜高温收缩率大、热稳定性低的弊端是导致电池高温热失效、电池内
部短路起火的主要原因。因此，开发新型耐高温、适合大电流充放电的动力型锂离子电池隔
膜产品已经是发展电动汽车的当务之急。

[0003] 对聚烯烃隔膜进行涂层修饰是改善其热稳定性的常规手段，无机陶瓷粒子的涂覆成为首选。无机陶瓷粒子，如勃姆石、氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆等，因具有优异
的热稳定性和电解液润湿性而被选择作为聚烯烃隔膜的涂层材料，以提高聚烯烃隔膜的热
稳定性。如专利CN201611228378.2报道使用聚烯烃微孔膜作为基体，氧化铝为涂层，制备涂
覆型隔膜，其热稳定性、抗穿刺能力和拉伸强度都得到了明显的提升。在此基础上，专利
CN201710533227.6报道了基膜两侧同时涂覆陶瓷浆体的技术，有效避免了涂覆型隔膜高温
卷曲的问题，使电池隔膜获得更低的收缩率，提高电池安全性。随着技术的进步，多层结构
的复合隔膜也相继出现，如专利CN201911140350.7报道的锂离子电池隔膜，是由聚合物基
材、纳米陶瓷材料和芳纶聚合体构成的耐热复合功能层、及聚偏氟乙烯保护层共同组成的。
在陶瓷涂层技术方面，出现了专利CN201911071686.2报道的静电纺丝方式和专利
CN201510292908.9报道的陶瓷材料物理气相沉积技术。此外，为了消除聚合物基膜对材料
热稳定性的制约，专利CN201810688460.6不使用聚合物材料作为涂覆基膜，直接将陶瓷粒
子与粘结剂混合形成的陶瓷浆体涂覆在正极极片表面，实现了锂离子电池正极隔膜一体
化，进一步提高了电池的安全性。然而，陶瓷涂层中聚合物材质的粘结剂同样具有高温易收
缩、分解的缺陷，这成为影响隔膜热稳定性的不利因素。因此，开发全陶瓷材质的隔膜材料
是提升锂离子电池热稳定性的有效措施。
发明内容：

[0004] 本发明的目的是为了消除锂离子电池隔膜热稳定性差带来的电池安全隐患，同时提高电池在大电流充放电及长时间运行的容量保持率。为此，使用天然多孔矿物硅藻土作
为主要原料，配合碳酸锂，掺杂少量二氧化钛，利用有机粘结剂成型，经过高温煅烧后形成
以钛掺杂硅酸锂为主成分的多孔陶瓷隔膜。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、粘结剂、溶剂按一定质量比例混合均匀，模压成型，75℃烘干；将干燥的成型样品置于马弗炉中煅烧至810‑850℃，保温7‑10小时；煅烧样品经表
面抛光后得到该锂离子电池用全陶瓷隔膜；所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)；所述溶剂为
N‑甲基吡咯烷酮(NMP)或N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)；所述硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、粘结剂、
溶剂的质量比为40‑60：35‑55：0.2‑0.6：0.4‑0.8：4；所述将干燥的成型样品置于马弗炉中
煅烧，其升温速率为3‑6℃/分钟。

[0007] 有益效果：本发明利用硅藻土的多孔结构，选择作为主要原料制备多孔结构的全陶瓷隔膜。碳酸锂高温分解产生的气体有助于提高陶瓷隔膜的孔隙率，进而有利于大电流
充放电过程中锂离子的快速传输。碳酸锂与二氧化钛及硅藻土中二氧化硅反应生成的钛掺
杂硅酸锂，可以显著促进锂离子电池电解液中锂盐的解离，促进锂离子传输，提高电池倍率
和循环性能。由于本发明获得的隔膜不包含任何有机成分，其无机成分高温稳定、不分解，
加之制备温度较高，因此该全陶瓷隔膜热稳定温度高于800℃，彻底消除传统锂离子电池隔
膜因受热发生收缩变形导致电池内部短路的安全问题。此外，该全陶瓷隔膜较高的孔隙率
和良好的电解液润湿性，将有效地促进电池内部锂离子的传质效率，提高电池在大电流充
放电及长时间运行的容量保持率。
附图说明：

[0008] 图1、全陶瓷锂离子电池隔膜扫描电镜照片

[0009] 图2、使用全陶瓷隔膜的锂离子电池倍率性能曲线具体实施方式：

[0010] 结合实施例对本发明作进一步的详细说明：

[0011] 硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、聚偏氟乙烯(PVDF)、N‑甲基吡咯烷酮(NMP)或N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)按一定质量比40‑60：35‑55：0.2‑0.6：0.4‑0.8：4混合均匀，模压成型，75℃
烘干；将干燥的成型样品置于马弗炉中煅烧至810‑850℃，升温速率为3‑6℃/分钟，保温7‑
10小时；煅烧样品经表面抛光后得到该锂离子电池用全陶瓷隔膜。

[0012] 实施例1

[0013] 硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、聚偏氟乙烯(PVDF)、N‑甲基吡咯烷酮(NMP)按一定质量比40：55：0.2：0.8：4混合均匀，模压成型，75℃烘干；将干燥的成型样品置于马弗炉中煅烧
至810℃，升温速率为6℃/分钟，保温10小时；煅烧样品经表面抛光后得到该锂离子电池用
全陶瓷隔膜。

[0014] 该锂离子电池用全陶瓷隔膜的孔隙率为56.3％，吸液率193％，10C倍率下放电比‑1
容量91.8mAh g (磷酸铁锂电池体系)。

[0015] 实施例2

[0016] 硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、聚偏氟乙烯(PVDF)、N‑甲基吡咯烷酮(NMP)按一定质量比50：45：0.4：0.6：4混合均匀，模压成型，75℃烘干；将干燥的成型样品置于马弗炉中煅烧
至830℃，升温速率为5℃/分钟，保温9小时；煅烧样品经表面抛光后得到该锂离子电池用全
陶瓷隔膜。

[0017] 该锂离子电池用全陶瓷隔膜的孔隙率为57.9％，吸液率202％，10C倍率下放电比‑1
容量92.1mAh g (磷酸铁锂电池体系)。

[0018] 实施例3

[0019] 硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、聚偏氟乙烯(PVDF)、N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)按一定质量比55：40：0.5：0.5：4混合均匀，模压成型，75℃烘干；将干燥的成型样品置于马弗炉中煅
烧至840℃，升温速率为4℃/分钟，保温8小时；煅烧样品经表面抛光后得到该锂离子电池用
全陶瓷隔膜。

[0020] 该锂离子电池用全陶瓷隔膜的孔隙率为52.4％，吸液率183％，10C倍率下放电比‑1
容量89.8mAh g (磷酸铁锂电池体系)。

[0021] 实施例4

[0022] 硅藻土、碳酸锂、二氧化钛、聚偏氟乙烯(PVDF)、N,N‑二甲基甲酰胺(DMF)按一定质量比60：35：0.6：0.4：4混合均匀，模压成型，75℃烘干；将干燥的成型样品置于马弗炉中煅
烧至850℃，升温速率为3℃/分钟，保温7小时；煅烧样品经表面抛光后得到该锂离子电池用
全陶瓷隔膜。

[0023] 该锂离子电池用全陶瓷隔膜的孔隙率为59.1％，吸液率217％，10C倍率下放电比‑1
容量95.8mAh g (磷酸铁锂电池体系)。