[發(fā)明專利]用于金屬二次電池的纖維素基復(fù)合隔膜及其制備方法

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• 申請日: 2021-07-01
• 公開（公告）號: CN113506951A
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 朱玉松;傅梗桂;秦賽男;王雨琦;安瑩;曾志連
• 申請（專利權(quán)）人: 丹陽欣信新材料科技有限公司
• 主分類號: H01M50/446
• 分類號: H01M50/446;H01M50/403;H01M10/0565;H01M10/0525;H01M10/058
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本發(fā)明屬于高分子材料和電池領(lǐng)域，具體涉及用于金屬二次電池的隔膜及其制備方法。此類隔膜涉及由靜電紡絲法、熱壓法、輥壓法、冷凍干燥法、原位聚合法、相轉(zhuǎn)化法、流延法、膜支撐法等方法制得。涉及的高分子材料包括天然纖維素、纖維素改性物或纖維素衍生物的一種或多種，還包括聚腈、聚酯、聚醚、含氟聚烯烴、聚碳酸酯、聚胺、天然多糖及其衍生物的一種或多種與天然纖維素、纖維素改性物或纖維素衍生物一種或多種的共混或共聚物。制得的隔膜不僅具有優(yōu)異的電化學(xué)性：高離子電導(dǎo)率、高離子遷移數(shù)、寬電化學(xué)窗口、出色的倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性等性能，而且還制作工藝簡單，生產(chǎn)成本低，電池安全環(huán)保，易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于金屬(鋰、鈉、鋅、鉀、鎂鋁等金屬)二次電池的隔膜及其制備方法，本發(fā)明還涉及固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池由于具有能量密度及輸出電壓較高、循環(huán)壽命較長、環(huán)境友好、無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)成為未來儲能系統(tǒng)的理想選擇。鋰離子電池除了在儲能上具有可觀的應(yīng)用前景外，其在便攜式電子產(chǎn)品領(lǐng)域占到了絕對的主導(dǎo)地位，手機(jī)、筆記本電腦、智能機(jī)器人、無人機(jī)全都離不開鋰離子電池的支持。這是因為相比于其他二次電池，鋰離子電池能量密度及功率密度相對較高、使用壽命長、自放電低、無記憶效應(yīng)。目前商業(yè)鋰離子電池由于使用石墨作為負(fù)極，其理論容量密度只有372mAh g^-1，理論能量密度只有390Wh kg^-1。能量密度的天花板限制了電子產(chǎn)品、儲能系統(tǒng)、電動汽車的續(xù)航時間，阻礙了鋰離子電池的發(fā)展，開發(fā)出更高比容量的負(fù)極材料是解決鋰離子電池續(xù)航問題的重要舉措之一。根據(jù)理論計算，將現(xiàn)有碳材料負(fù)極全部替換為鋅或堿金屬而不改變現(xiàn)有正極材料，目前的商業(yè)電池容量將提高50％以上。而金屬負(fù)極的優(yōu)越之處還不止于此，由于本身可以提供離子電池所需的金屬源，使得正極材料擁有了更多的選擇，使用更高比容量的硫、氧、二氧化碳等不含金屬的材料作為正極將成為可能。

傳統(tǒng)金屬二次電池使用非水電解液，并且包含大量易燃的有機(jī)碳酸鹽溶劑，從而可能導(dǎo)致電解液泄漏的危險，造成熱失控或火災(zāi)隱患。而與液體電解質(zhì)接觸的金屬負(fù)極在循環(huán)過程中枝晶不可控制地生長從而刺穿隔膜，導(dǎo)致電池短路甚至?xí)ǖ群蠊＝饘儇?fù)極的不規(guī)則電沉積，造成SEI膜破碎并形成“死鋰”/“死鋅”等，也會使得電池庫倫效率衰減，電池使用壽命縮短。這限制了它們在金屬二次電池的使用。還有就是金屬活性高，易與電解液發(fā)生副反應(yīng)、金屬腐蝕等。這兩方面問題不管是金屬有機(jī)系電池還是金屬水系電池中都存在，并且是阻礙金屬二次電池商業(yè)化的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是在于要采用熱壓法、輥壓法、相轉(zhuǎn)化法、原位聚合法、流延法、冷凍干燥法、膜支撐法以及靜電紡絲法等方法制備用于金屬二次電池的隔膜。制得的隔膜不僅具有優(yōu)異的電化學(xué)性：高離子電導(dǎo)率、高離子遷移數(shù)、寬電化學(xué)窗口、出色的倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性等性能，而且還制作工藝簡單，生產(chǎn)成本低，電池安全環(huán)保，易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述制備的隔膜對金屬負(fù)極的保護(hù)作用，與電化學(xué)儲能系統(tǒng)的電極材料黏附力強(qiáng)，能有效起到抑制枝晶生產(chǎn)的作用及其在金屬二次電池的應(yīng)用。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：用于金屬二次電池的纖維素基復(fù)合隔膜，特征在于：將聚合物基體高分子材料或該高分子材料與無機(jī)填料混合物的均聚物、共聚物或共混物通過各種制備方法進(jìn)行復(fù)合，制得聚合物電解質(zhì)隔膜，將隔膜吸收一定電解液后得到凝膠聚合物電解質(zhì)或固態(tài)聚合物電解質(zhì)應(yīng)用于金屬二次電池。

所述制備方法包括但不限于靜電紡絲法、同軸靜電紡絲法、多軸靜電紡絲法、熱壓法、輥壓法、冷凍干燥法、原位聚合法、相轉(zhuǎn)化法、流延法或膜支撐法。