一种混合纤维素酯膜的应用及制备的电池和制备方法技术

本发明专利技术公开了一种混合纤维素酯膜的应用及制备的电池和制备方法。将该膜作为水系锌离子电池的隔膜表现出了非常优异的电化学性能。在5A g

【技术实现步骤摘要】
一种混合纤维素酯膜的应用及制备的电池和制备方法
本专利技术属于电池
，具体涉及一种新型材料混合纤维素酯膜在水系锌离子电池制备中的应用。
技术介绍
可充电电池广泛应用于电动交通工具、智能电网、医疗器械及各种便携式电子设备。目前，商业化锂离子电池由于具有高比能量和较长的循环寿命在电池市场中占据了主导地位，但是锂离子电池面临着原料成本高，锂资源短缺以及有机电解质的可燃性和离子电导率低等问题，其大大限制了锂离子电池的进一步发展。水系电池由于采用盐的水溶液作为电解质，因而具有更高的安全性能以及更廉价的成本，被认为是适用于大规模廉价储能的电池体系。就目前报道的水系二次电池而言，金属锌由于具有天然丰度高，可回收，环境友好等优点，以金属锌为负极的水系二次电池受到人们的广泛关注。金属锌与水溶液相容性较好，理论比容量较高(820mAhg-1)，可以弥补因电压范围小而带来的能量密度的损失。此外，水系锌离子电池采用硫酸锌或三氟甲烷磺酸锌的水溶液为电解质，其离子电导率(1～6Scm-1)远高于有机电解质(0.001～0.01Scm-1)。所以水系锌离子电池在储能领域具有广阔的应用前景。隔膜对整个电池体系的性能具有至关重要的影响，但其在水系锌离子电池领域的相关研究还比较欠缺。对于一个性能优异的水系锌离子电池来说，其隔膜必须具备亲水性好，孔分布均匀，离子电导率较高，机械性能好等优点。目前，水系锌离子电池常用的隔膜是玻璃纤维膜和滤纸。虽然玻璃纤维膜与水性电解质具有很好的相容性，但其易碎性和大孔径使其很容易被负极上生长的锌枝晶刺穿，枝晶一旦接触到正极，就会导致电池短路。滤纸具有无规则的孔结构且分布不均，导致电解质在锌负极的各个区域上的润湿程度不同，这将会造成锌枝晶堆积生长。陈军等人研究发现Nafion膜由于具有单一离子导电性和丰富的磺酸基团，将其作为隔膜，可以提高水系锌离子电池的循环稳定性。但是Nafion膜价格昂贵，且在使用前要经过复杂的预处理过程，不适合规模化应用。本专利技术提供了一种低成本水系锌离子电池隔膜，即混合纤维素酯膜。此膜是一种过滤膜，具有亲水性好，孔隙率高，且微孔结构均匀等优点，广泛应用于医药工业、电子工业、食品工业及科研实验室等滤除细菌和微粒，但从未有报道将此膜用作电池隔膜。该膜具有的均匀分布的孔结构，优异的亲水性能，良好的机械性能和离子电导率，可以诱发均匀的锌沉积过程，并促使锌离子高效可逆的传输，从而使电池表现出非常优异的电化学性能。对所有电池体系来说，隔膜必须具备的要求是能稳定存在于电解液中。混合纤维素酯膜是一种水系滤膜，遇到有机溶剂，强酸性或强碱性的溶液会分解，所以其不能应用于有机体系的电池以及采用强酸或强碱为电解液的电池，如：有机金属离子电池，金属-空气电池和超级电容器。混合纤维素酯膜只能在微酸性或中性电解液中稳定存在，所以可以应用于水系锌离子电池，水系铝离子电池，水系镁离子电池。
技术实现思路
本专利技术第一个目的在于，提供混合纤维素酯膜在制备水系锌离子电池隔膜中的应用，该混合纤维素酯膜低成本、高性能，避免了传统玻璃纤维隔膜和滤纸的缺点，极大地提升水系锌离子电池的循环寿命。作为优选，所述的混合纤维素酯膜的孔径大小为0.22～10μm，优选0.8～3μm，进一步优选0.8～1.2μm，最优选1.2μm。作为优选，所述的混合纤维素酯膜的厚度为50～200μm，优选100～180μm，最优选130μm。混合纤维素酯膜在使用前需蒸馏水浸泡过夜。具体包括以下处理：将膜平放于清洁盛器内，用65℃的蒸馏水浸泡，使全部润湿，4小时后倾去水，再用上法浸泡过夜，使用前再用适量30℃温蒸馏水清洗一次。本专利技术第二个目的在于一种使用混合纤维素酯膜做为隔膜的水系锌离子电池及其制备方法。具体的制备方法如下：水系锌离子电池由负极壳、弹片、垫片、负极、隔膜、正极活性物质和正极壳组成并依次组成叠层结构，其中负极与弹片、垫片和负极壳相接，正极活性物质与正极壳相接，位于正极与负极之间的隔膜为混合纤维素酯膜。所述的水系锌离子电池的制备方法：混合纤维素酯膜组装电池前在含锌盐的水系电解液浸润。含锌盐的水系电解液包含3molL-1三氟甲烷磺酸锌水溶液。作为优选，浸润时间为1～60min，优选1～30min，进一步优选1～10min，最优选5min。进一步组装成扣式电池。本专利技术首创性的发现混合纤维素酯膜作为隔膜在水系锌离子电池中具有良好的技术效果。不仅如此，本专利技术还发现混合纤维素酯膜的孔径大小和厚度是非常关键的因素，具有合适孔径的混合纤维素酯膜，可以引导均匀的离子流，使锌离子在负极表面均匀的溶解和沉积，同时具有合适厚度的混合纤维素酯膜可以降低膜电阻，使锌离子快速的传输。这不仅可以有效的提升水系锌离子电池的循环寿命，还能大大提高电池的库伦效率。本专利技术在使用混合纤维素酯膜制备水系锌离子电池的过程中不同于常规隔膜制备电池的操作还包括：混合纤维素酯膜在组装成扣式电池之前，需在含锌盐的电解液中浸润，不同的浸润时间带来的技术效果不同。本专利技术的混合纤维素酯膜购买自上海新亚净化器件厂，上海必泰生物科技有限公司等。本专利技术的有益效果：本专利技术提供了一种新型的低成本水系锌离子电池隔膜，该隔膜具有均匀分布的孔结构，优异的亲水性能和离子电导率可以促使锌离子均匀可逆的传输，大大缓解了锌枝晶的形成，延长了锌负极的循环寿命。以钒酸盐为正极材料，锌箔为负极，含锌的可溶性盐为电解液和该隔膜共同组装的水系锌离子电池，即使在大电流密度下仍具有长寿命、高库伦效率的特点。本专利技术提供的新型隔膜成本低且应用广泛，在电池领域具有非常好的应用前景。以合适孔径、厚度和浸润时间的混合纤维素酯膜作为水系锌离子电池的隔膜，在5Ag-1的大电流密度下循环4000次后，电池的容量保持率高达91.8％，在相同条件下是水系锌离子电池常用隔膜的近5倍。附图说明图1为玻璃纤维膜、滤纸和本专利技术使用的混合纤维素酯膜的SEM图。图2为混合纤维素酯膜的亲水性能测试。图3为实施例9、对比例1和对比例2所得水系锌离子电池在电流密度为5Ag-1下的循环性能图。、图4为实施例9、对比例1和对比例2所得水系锌离子电池在电流密度为5Ag-1下的库伦效率图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例中使用的混合纤维素酯膜在使用前需进行以下前处理：将膜平放于清洁盛器内，用65℃的蒸馏水浸泡，使全部润湿，4小时后倾去水，再用上法浸泡过夜，使用前再用适量30℃温蒸馏水清洗一次。实施例1本实施例的隔膜为混合纤维素酯膜，其孔径大小为0.8μm，厚度为130μm，组装电池前未在含锌盐的电解液中浸润。采用CR2025型扣本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合纤维素酯膜在水系锌离子电池中的应用，其特征在于：采用混合纤维素酯膜作为水系锌离子电池中的隔膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种混合纤维素酯膜在水系锌离子电池中的应用，其特征在于：采用混合纤维素酯膜作为水系锌离子电池中的隔膜。


2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，混合纤维素酯膜的孔径大小为0.22～10μm。


3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，混合纤维素酯膜的孔径大小为0.8～3μm，进一步优选0.8～1.2μm，最优选1.2μm。


4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的混合纤维素酯膜的厚度大小为50～200μm，优选100～180μm，最优选130μm。


5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，混合纤维素酯膜在使用前需蒸馏水浸泡过夜。


6.一种使用权利要求1-5任一项所述的混合纤维素酯膜作为隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海燕，秦瑶，唐有根，刘平，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43