一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层及其制备方法和应用

本发明属于商用隔膜改性，尤其涉及一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、隔膜作为锂金属电池中至关重要的组成部分，隔膜物理及电化学性能与锂金属电池的循环寿命、界面结构、电池性能以及安全性等息息相关。

2、目前商用的聚烯烃隔膜往往使用干法工艺制备。干法隔膜工艺是一种制备聚合物薄膜的方法，通过将高分子聚合物、添加剂等原料混合形成均匀熔体，挤出时在拉伸应力下形成片晶结构，经过热处理后获得硬弹性的聚合物薄膜；随后在一定的温度下拉伸形成狭缝状微孔，热定型后制得微孔膜。然而，由于该工艺无法精确控制孔径的大小，制备聚丙烯（pp）、聚乙烯（pe）等材质的商用隔膜时，拉伸后的孔径可能会变大，从而影响电池性能。此外，聚丙烯（pp）、聚乙烯（pe）作为非极性高分子材料，具有低熔点和较差的电解液浸润性，导致电池内阻增加。同时，材料的孔隙率较低会导致较低的离子电导率，严重限制电池的大倍率性能，难以满足电池需要大电流快速充放电的要求。

3、为了解决这些问题，研究人员主要采用对聚烯烃隔膜进行改性处理，其中包括表面涂层和化学接枝。化学接枝方法通过在聚合物链上引入不同的功能基团或支链来赋予聚合物新的性质。化学接枝方法可以通过辐射诱导接枝、自由基引发接枝、离子引发接枝等方式进行。这些方法可以实现对聚合物表面性质、相容性、机械性能、化学稳定性等方面的改善，从而拓展聚合物在各种领域的应用。但化学接枝方法往往制造工艺复杂，制造成本高，难以大规模生产。表面涂层方法可通过在隔膜表面覆盖一层薄膜或添加特定材料来改善隔膜的性能。而使用无机材料作为表面涂层进行改性作为目前市场上最常用的商业化隔膜涂覆方式，其市场比重在所有涂覆方式中达到近90%。因为无机材料可以提高隔膜的热稳定性和润湿性，并具有价格低廉、获取方式容易等优势，因此研究人员往往采用表面涂层的方法来对聚烯烃隔膜进行改性处理。但是，无机材料表面涂层往往会降低膜的孔隙率，不能保证结构的完整性，且表面涂层过厚容易脱落，影响电池的循环稳定性，不能够满足日益增长的使用需求。

4、因此，如何设计出一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层的技术来解决以上问题是目前面临的主要难题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出了一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层及其制备方法和应用。该方法能够大规模合成二维氧化物超薄涂层，改性锂金属电池隔膜。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层，包括以下质量份数的组分：二维氧化物10-40份，粘结剂0.5-2份和有机溶剂250-800份。

4、进一步地，所述二维氧化物为钛铁氧纳米片或二氧化钛纳米片。

5、进一步地，所述粘结剂为聚偏氟乙烯。

6、进一步地，所述有机溶剂为丙酮。

7、本发明还提供一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层的制备方法，包括以下步骤：将二维氧化物、粘结剂和有机溶剂按配比混合，搅拌均匀得到混合溶液；将所述混合溶液喷涂于锂金属电池隔膜的表面且对隔膜进行加热处理，即得到涂层。

8、进一步地，所述搅拌的参数为：温度20-40℃，转速300-500rpm，时间1-3h。

9、进一步地，所述喷涂过程中的参数为：加热温度60-70℃，压力0.3-0.4mpa，喷头口径0.3mm。

10、进一步地，所述锂金属电池隔膜的厚度为24-26um，所述涂层的厚度为0.5-2um。

11、本发明还提供一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层在锂离子电池隔膜中的应用。

12、本发明提供一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层的技术，其主要原理为使用喷涂设备，通过调节气体压力来控制气体流速，通过选取不同直径的喷头来控制喷雾大小，将二维氧化物与聚合物粘接剂溶解于有机溶剂形成的均匀混合溶液均匀的喷涂在锂金属电池隔膜表面形成表面涂层。本发明利用有机溶剂沸点较低易挥发的特点，在喷涂的过程对锂金属电池隔膜进行加热，使得混合溶液在锂金属电池隔膜表面快速挥发形成表面涂层，通过减少溶液对锂金属电池隔膜孔隙的渗透来减少隔膜孔隙率的降低。

13、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

14、本发明采用二维氧化物作为涂层材料，相对于一维氧化物材料具有单位尺寸小、比表面积大、表面活性更高等优点，这些特点使得本发明所述的隔膜表面涂层厚度具有更好的尺寸可调性，具有优异的电解液浸润性，涂层内部结构为锂离子传输提供更多着位点和有序通道。使用喷涂法制备隔膜表面涂层也为后续大规模合成奠定了技术基础。

技术特征：

1.一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层，其特征在于，包括以下质量份数的原料组分：二维氧化物10-40份，粘结剂0.5-2份和有机溶剂250-800份。

2.根据权利要求1所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层，其特征在于，所述二维氧化物为钛铁氧纳米片或二氧化钛纳米片。

3.根据权利要求1所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层，其特征在于，所述粘结剂为聚偏氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层，其特征在于，所述有机溶剂为丙酮。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将二维氧化物、粘结剂和有机溶剂按配比混合，搅拌均匀得到混合溶液；将所述混合溶液喷涂于锂金属电池隔膜的表面且对隔膜进行加热处理，即得到涂层。

6.根据权利要求5所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层的制备方法，其特征在于，所述搅拌的参数为：温度20-40℃，转速300-500rpm，时间1-3h。

7.根据权利要求5所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂过程中的参数为：加热温度60-70℃，压力0.3-0.4mpa，喷头口径0.3mm。

8.根据权利要求5所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层的制备方法，其特征在于，所述锂金属电池隔膜的厚度为24-26um，所述涂层的厚度为0.5-2um。

9.一种如权利要求1-4任一项所述的可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层在锂离子电池隔膜中的应用。

技术总结
本发明公开一种可大规模合成的锂金属电池隔膜用二维氧化物超薄涂层及其制备方法和应用，属于商用隔膜改性技术领域。本发明以二维氧化物、粘结剂和有机溶剂作为涂层的组分并喷涂于隔膜表面，对隔膜进行改性处理。该隔膜可以降低隔膜的接触角和热缩性，同时提高离子电导率。

技术研发人员：蔡兴科,梁小龙,刘冬青
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23