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复合隔膜及其制备方法,以及锂离子电池[发明专利]

一、复合隔膜概述

复合隔膜作为一种新型的电池隔膜材料，它在锂离子电池中扮演着至关重要的角色。复合隔膜主要由聚合物材料和增强材料复合而成，通过物理或化学方法将两种或多种材料结合在一起，从而赋予隔膜优异的力学性能、化学稳定性和离子传输性能。在锂离子电池中，复合隔膜不仅能够有效地隔离正负极材料，防止短路，还能够提高电池的安全性和循环寿命。随着电池技术的不断发展，复合隔膜的研究和开发日益受到重视，成为推动电池性能提升的关键材料之一。

复合隔膜的研究始于20世纪90年代，经过多年的发展，已经形成了多种类型的复合隔膜，如聚合物/陶瓷复合隔膜、聚合物/碳纤维复合隔膜等。这些复合隔膜具有不同的结构和性能特点，能够满足不同电池应用的需求。其中，聚合物/陶瓷复合隔膜因其优异的机械强度和离子传输性能而被广泛应用于锂离子电池中。这类隔膜通过将聚合物基体与陶瓷颗粒进行复合，不仅提高了隔膜的机械强度，还赋予了隔膜良好的离子传输能力和耐热性能。

近年来，随着锂离子电池在电动汽车、便携式电子设备等领域的广泛应用，对复合隔膜的性能要求也越来越高。为了满足这些需求，研究人员不断探索新的制备方法和复合材料，以期获得具有更高安全性能、更长使用寿命和更好综合性能的复合隔膜。此外，复合隔膜在制备过程中还需考虑成本、环境影响等因素，以确保其在实际应用中的可持续性和经济性。因此，复合隔膜的研究与开发仍然是一个充满挑战和机遇的领域。

二、复合隔膜的制备方法

(1)复合隔膜的制备方法主要包括熔融共混法、溶液共混法、原位聚合法和复合涂覆法等。其中，熔融共混法是最常用的方法之一。该方法通过将聚合物基体和增强材料在高温下熔融混合，然后冷却固化，形成复合隔膜。例如，聚偏氟乙烯（PVDF）和氧化铝（Al2O3）的熔融共混制备的复合隔膜，其离子传输率可达0.5×10^-6cm^2/s，而机械强度可达5MPa。

(2)溶液共混法是将聚合物基体和增强材料分别溶解在溶剂中，然后通过混合、搅拌等手段使两种溶液充分混合，形成均匀的溶液，最后通过蒸发溶剂或凝固浴等方法制备复合隔膜。例如，聚丙烯酸（PAA）和碳纳米管（CNTs）的溶液共混制备的复合隔膜，其离子传输率可达1.0×10^-6cm^2/s，而机械强度可达8MPa。

(3)原位聚合法是在聚合物基体中引入增强材料，在聚合过程中形成复合隔膜。这种方法具有制备工艺简单、成本低等优点。例如，聚丙烯酸甲酯（PMMA）和氧化铝（Al2O3）的原位聚合制备的复合隔膜，其离子传输率可达0.8×10^-6cm^2/s，而机械强度可达6MPa。此外，复合涂覆法是将增强材料涂覆在聚合物基体表面，形成复合隔膜。这种方法具有制备工艺简单、操作方便等优点。例如，聚偏氟乙烯（PVDF）和氧化铝（Al2O3）的复合涂覆制备的复合隔膜，其离子传输率可达0.7×10^-6cm^2/s，而机械强度可达4MPa。

三、复合隔膜的结构与性能

(1)复合隔膜的结构通常由聚合物基体和增强材料两部分组成。聚合物基体作为隔膜的主体，负责提供良好的柔韧性和化学稳定性，而增强材料则主要起到提高隔膜机械强度和离子传输性能的作用。在结构设计上，复合隔膜可以通过调控聚合物基体和增强材料的比例以及分布，实现隔膜性能的优化。例如，在聚合物/陶瓷复合隔膜中，陶瓷颗粒的分散程度和尺寸对隔膜的离子传输性能有显著影响。

(2)复合隔膜的机械性能是评价其品质的重要指标之一。良好的机械性能能够确保隔膜在电池充放电过程中承受内部压力，防止电池内部短路。研究表明，复合隔膜的机械强度与其厚度、增强材料的含量和分布密切相关。例如，通过添加一定比例的碳纳米管，复合隔膜的拉伸强度可以提升至5MPa以上，远高于传统隔膜。

(3)复合隔膜的离子传输性能直接影响电池的充放电效率和循环寿命。理想的复合隔膜应具备高离子传输率和低电阻特性。在实际应用中，复合隔膜的离子传输性能与其孔隙结构、聚合物基体的化学结构和增强材料的性能密切相关。例如，通过在聚合物基体中引入具有高离子传输率的陶瓷颗粒，可以有效降低隔膜的电阻，提高电池的整体性能。研究表明，复合隔膜的离子传输率可以达到1.0×10^-6cm^2/s，显著优于传统隔膜。

四、复合隔膜在锂离子电池中的应用

(1)复合隔膜在锂离子电池中的应用得到了广泛关注，其主要原因是其能够显著提升电池的安全性能和电化学性能。在锂离子电池中，复合隔膜的主要作用是隔离正负极材料，防止电池内部短路，同时保证电解液的稳定传输。据统计，复合隔膜的引入可以使电池的安全性能提高约30%，降低电池内部短路的风险。例如，采用聚合物/陶瓷复合隔膜的锂离子电池在高温测试中，其短路电流密度可以降低至0.5mA/cm^2，远低于传统隔膜的1.0mA/