一种隔膜及应用其的低膨胀硅基负极电池的制作方法

本发明涉及电池材料，尤其是涉及一种隔膜及应用其的低膨胀硅基负极电池。

背景技术：

1、目前，全球已经入新能源时代，随着锂离子电池在各领域中的应用日趋广泛，对锂离子电池的性能要求也越来越高，而相较于锂离子中研究工艺更为纯熟的正极材料，负极材料的研究具有很大的提升空间。目前常用的负极材料主要是石墨负极，但是石墨的理论容量无法满足当前高性能锂离子电池负极材料的需求，并且，石墨的嵌锂电位与金属锂的电极电位非常接近，在大电流密度下进行充放电时极易析锂，存在一定的安全隐患。

2、在目前已知的负极材料中，硅拥有最高的理论容量，是石墨的10倍以上，同时其嵌锂电位略高于石墨，既能有效防止发生析锂反应，也能与正极材料形成较宽的电势窗口，表现出较好的安全性和较高的能量密度。

3、但是，硅的巨大嵌锂容量和嵌锂过程中发生的复杂相转变，使硅负极材料在嵌锂过程中出现严重的体积膨胀和结构变化，从而使负极材料表面的sei膜被破坏，硅颗粒与电解液接触从而使sei膜反复破坏和生成，最终消耗殆尽锂离子，宏观上表现为电池容量下降、循环性能变差。

技术实现思路

1、为了抑制硅基负极的膨胀性，提高电池的倍率以及循环性能，本申请提供一种隔膜及应用其的低膨胀硅基负极电池。

2、第一方面，本申请提供一种隔膜，采用如下的技术方案：包括基膜pe和聚酰亚胺涂层，所述基膜pe的至少一个表面上设有所述聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层中含有聚酰亚胺粘结剂，所述聚酰亚胺粘结剂的弯曲硬度为165-180mpa，压缩硬度为190-210mpa，弹性模量为3-3.4gpa。

3、通过采用上述技术方案，能获得可结晶且强度高、具有较高弹性模量的聚酰亚胺涂层，其具备优异的弹性复原能力和粘附性能，与基膜pe共同作用制备隔膜，能够显著提高其对硅基负极膨胀的抑制效果，并且提高锂离子的传输效率，提高电池的倍率和循环性能。

4、可选的，所述聚酰亚胺粘结剂由包括二酐和二胺的反应单体通过聚合反应制备得到，所述聚合反应在液相反应介质中进行，且反应温度为160℃-250℃。

5、可选的，液相反应介质中包括高沸点溶剂，所述高沸点溶剂选自n-甲基-2-吡络烷酮、苯酚、甲酚和对氯苯酚中的任意一种。

6、可选的，所述二酐与二胺的摩尔比为1：(0.95-1.05)，所述二酐和二胺的总质量与高沸点溶剂的质量比为1：(3-4)。

7、通过采用上述技术方案，由于采用二酐和二胺合成聚酰亚胺粘结剂，该法的反应条件比热处理要温和得多，并且能够保证制备得到的聚酰亚胺粘结剂的质量稳定性。

8、可选的，所述聚合反应的反应时间为5-8h。

9、通过采用上述技术方案，使各原料之间能够充分反应，制备得到与基膜pe粘结性能好的聚酰亚胺粘结剂。

10、可选的，所述聚酰亚胺涂层的厚度为3-5μm。

11、通过采用上述技术方案，使聚酰亚胺粘结剂在用量较少的情况下充分发挥其对硅基负极的粘附性能，制备得到对硅基负极材料膨胀有显著抑制效果的隔膜。

12、可选的，所述基膜pe的孔隙率为43-46％，厚度7-9μm；透气值30-80s/100ml。

13、可选的，所述基膜的孔径范围为80-200nm。

14、可选的，所述基膜pe的制备方法包括如下步骤：

15、s1：采用加热同步拉伸的湿法工艺将用于制备所述基膜pe的原料混合物拉伸成膜，得到第一半成品，其中，所述原料混合物以及所述第一半成品中含有造孔剂；

16、s2：除去所述第一半成品中的所述造孔剂，制得所述基膜pe。

17、可选的，制备所述第一半成品的过程中加热温度为40-60℃。

18、通过采用上述技术方案，制备得到微孔形状类似圆形的三维纤维状基膜pe，基膜pe中的微孔孔径较小且分布均匀，微孔内部形成相互联通的弯曲通道，从而具备较高的孔隙率和较好的透气性能，能降低电池界面的阻抗，极大地提高锂离子传输速率，进而提高电池的倍率和循环性能。

19、可选的，所述聚酰亚胺涂层的成型方式为：在所述基膜pe的表面上，利用含有所述聚酰亚胺粘结剂的涂层浆料通过点状涂布的喷涂方式，使由此形成的涂层固化成型后即得到所述聚酰亚胺涂层。

20、可选的，含有所述聚酰亚胺粘结剂的涂层浆料由聚酰亚胺粘结剂和水按照重量比(6-7)：1混合后经超声、搅拌、加热制备得到。

21、可选的，所述点状涂布过程中，涂布温度为30-100℃，涂布拉伸速差为0.1-20％。

22、可选的，所述点状涂布过程中，复卷温度为75-100℃，收放卷张力为5-8n；分切收放卷张力5-8n，接触电压为0.1-3n。

23、通过采用上述技术方案，点状涂布的喷涂方式使涂层浆料能够均匀地喷覆在基膜pe上，使涂层浆料在基膜pe上的聚酰亚胺涂层保持一致并且保证聚酰亚胺涂层的均匀连续性，有利于制备得到具备高透气性和高孔隙率的隔膜，从而降低电池界面的阻抗，极大地提高锂离子传输速率，进一步提高电池的倍率和循环性能。

24、第二方面，本申请供一种电池，所述电池包括正极片、硅基负极片和如权利要求1-9任一项所述的隔膜。

25、通过采用上述技术方案，本申请制备得到的电池具有较低的硅基负极膨胀率以及高倍率和高循环性能。

26、综上所述，本申请具有以下有益效果：

27、1、由于本申请采用的聚酰亚胺粘结剂弯曲硬度为165-180mpa，压缩硬度为190-210mpa，弹性模量为3-3.4gpa，能够在基膜pe上形成粘结性能优异的聚酰亚胺涂层，应用在隔膜中后，能够显著提高其对硅基负极膨胀的抑制效果。

28、2、由于本申请中采用湿法工艺制备得到的基膜pe与聚酰亚胺粘结剂配合，形成隔膜，隔膜中形成了内部弯曲联通的微孔，提高了隔膜的透气性和孔隙率，从而提高了电池的倍率和循环性能。

29、3、由于采用点状涂布的方式将涂层浆料涂覆在基膜pe上，有利于涂层浆料在基膜pe上均匀分布并形成厚度一致的兼具高透气性的涂层，从而提高电池的循环性和倍率性能。

技术特征：

1.一种隔膜，其特征在于：包括基膜pe和聚酰亚胺涂层，所述基膜pe的至少一个表面上设有所述聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层中含有聚酰亚胺粘结剂，所述聚酰亚胺粘结剂的弯曲硬度为165-180mpa，压缩硬度为190-210mpa，弹性模量为3-3.4gpa。

2.根据权利要求1所述的一种隔膜，其特征在于：所述聚酰亚胺粘结剂由包括二酐和二胺的反应单体通过聚合反应制备得到，所述聚合反应在液相反应介质中进行，且反应温度为160℃-250℃。

3.根据权利要求2所述的一种隔膜，其特征在于：所述聚合反应的反应时间为5-8h。

4.根据权利要求1所述的一种隔膜，其特征在于：所述聚酰亚胺涂层的厚度为3-5μm。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种隔膜，其特征在于：所述基膜pe的孔隙率为43-46％。

6.根据权利要求5所述的一种隔膜，其特征在于：所述基膜pe的制备方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种隔膜，其特征在于：制备所述第一半成品的过程中加热温度为40-60℃。

8.根据权利要求1所述的一种隔膜，其特征在于：所述聚酰亚胺涂层的成型方式为：在所述基膜pe的表面上，利用含有所述聚酰亚胺粘结剂的涂层浆料通过点状涂布的喷涂方式，使由此形成的涂层固化成型后即得到所述聚酰亚胺涂层。

9.根据权利要求8所述的一种隔膜，其特征在于：所述点状涂布过程中，涂布温度为30-100℃，涂布拉伸速差为0.1-20％。

10.一种电池，其特征在于：包括正极片、硅基负极片和如权利要求1-9任一项所述的隔膜。

技术总结
本申请涉及电池材料技术领域，具体公开了一种隔膜及应用其的低膨胀硅基负极电池。一种隔膜，包括基膜PE和聚酰亚胺涂层，所述基膜PE的至少一个表面上设有所述聚酰亚胺涂层，所述聚酰亚胺涂层中含有聚酰亚胺粘结剂，所述聚酰亚胺粘结剂的弯曲硬度为165‑180MPa，压缩硬度为190‑210Mpa，弹性模量为3‑3.4GPa。本申请具有抑制硅基负极的膨胀性、提高电池的倍率以及循环性能的优点。

技术研发人员：黄佳苑,赵瑞瑞,谢英朋,冀亚娟
受保护的技术使用者：惠州亿纬锂能股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13