[發明專利]一種用于高溫電池的非氧化物多孔隔膜材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710075203.0
• 申請日: 2017-02-10
• 公開（公告）號: CN106711382B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 陳斐;黃梅;張一弛;李耘字;沈強;張聯盟
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M2/14
• 分類號: H01M2/14;H01M2/16;H01M8/023;H01M8/0234
• 代理公司: 42102 湖北武漢永嘉專利代理有限公司
• 代理人: 王守仁

本發明涉及一種用于高溫電池的非氧化物多孔隔膜材料，其包括TiB₂、ZrB₂、SiC、ZrC、TiC、BN、AlN、Si₃N₄、TiN以及多孔碳中的一種，其平均粒徑為2μm。該材料的制備方法是：利用常壓燒結、熱壓燒結、場助燒結中的一種，將非氧化物多孔隔膜材料的原料單獨或與隔膜固定材料的原料結合后，即得到所述的非氧化物多孔隔膜材料。本發明提供的非氧化物多孔隔膜材料具有性能穩定、制備方法簡單且成本低廉，能有效防止短路并提高循環效率和次數，易于實現工業化等優點。

技術領域

本發明屬于儲能電池材料領域，特別涉及一種用于高溫電池的非氧化物多孔隔膜材料及其制備方法。

技術背景

隨著社會科技的發展和生產力的提高，不可再生化石能源的消耗日漸升高，環境問題日趨嚴峻。為了應對日益凸顯的能源危機和傳統化石燃料對生態環境造成的污染問題，迫切需要開發和利用新型的可再生清潔能源，因此生物質能、水能發電、風能發電和太陽能發電等成為了近年來人們研究的熱點。然而目前自然風能、水能及太陽能發電具有不連續性、波動性大和無法直接并入電網等問題，無法實現大面積連續供電，需要利用儲能技術儲能后才能加以利用。在諸多儲能技術中，儲能電池具有運行無污染、能量效率高、壽命長等優點，特別是二次電池和液流電池等電化學儲能裝置能量密度高，響應時間快，成為了近年來的研究熱點。

儲能電池的隔膜材料在工作過程中長期處于高溫及強腐蝕性的電解質中。隔膜材料在電池工作時一方面可以有效隔離正負極，防止短路；另一方面提供離子通道，使電池反應能夠快速有效地進行。因此作為電池組成的關鍵一環，性能優異的隔膜對提高電池容量，循環性能及安全穩定性具有重要的作用。然而，目前儲能電池包括Na-S電池，Na-NiCl₂電池以及Li-Pb/Sn液體金屬電池等，都存在技術瓶頸難以克服。目前使用的氧化物隔膜如β”-氧化鋁等，用在Na-S電池中可以很好地遷移鈉離子，實現Na-S電池的高能量密度。但是，高性能的β”-氧化鋁隔膜制備工藝相當復雜，需要特殊的燒結溫度和氣氛使Na⁺進入Al₂O₃結構中。而且經過多次循環充放和電解質的熔化/凝固，β”-氧化鋁隔膜容易發生脆斷，穩定性差，使得電池正負極短路，電池壽命大大減小。為了提高離子電導率，β”-氧化鋁隔膜一般需要制備成較薄的管狀隔膜，一方面增加了制備難度，另一方面也限制了該隔膜規模化生產的潛力。

隔膜的性能決定了電池的界面結構、內阻等，并直接影響電池的容量、循環及安全性能等特性，研究發明新的高性能隔膜能夠極大地提高電池的綜合性能。因此，亟需尋找一種高效低成本、能穩定用于高溫電池的隔膜材料。專利文獻CN103825058A公開了一種用于高溫電池的膏狀電解質，其中采用MgO或Al₂O₃纖維填充料作為電池的隔膜；這種電池隔膜與電解質混熔之后僅依靠填料的毛細作用力吸附熔鹽電解質，降低電解質的流動性，隔膜的強度和穩定性較差。專利文獻CN103259033A公開了一種半液態金屬電極儲能電池，其中采用的電池隔膜材料為MgO，LiAlO₂等氧化物或BN，AlN等氮化物的陶瓷粉末，這種隔膜材料的缺點是：陶瓷粉末在電解質中所占百分比最高達到60wt.％，降低了隔膜的離子電導率；而且高溫電池的負極(Li及其合金)對氧化物類型的隔膜具有較強的腐蝕性，長時間工作條件會產生不利影響。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種用于高溫電池的非氧化物多孔隔膜材料及其制備方法，以克服上述現有技術中β”-氧化鋁隔膜和MgO，LiAlO₂等氧化物隔膜穩定性差、易腐蝕斷裂、離子電導率低等問題。

本發明解決其技術問題采用以下的技術方案：