一种负极保护膜及其制备方法和应用、碱金属-空气电池技术

本发明专利技术属于电池技术领域，特别涉及一种负极保护膜及其制备方法和应用、碱金属‑空气电池。本发明专利技术提供的负极保护膜，包括聚合物膜和均匀分散在所述聚合物膜中的无机颗粒；所述聚合物膜的材质包括聚偏氟乙烯‑六氟丙烯、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；所述无机颗粒包括氟化锂、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌中的一种或多种。本发明专利技术将聚合物和无机颗粒结合起来，可有效稳定碱金属‑空气电池中碱金属和电解液的界面，均匀碱金属离子沉积，减少碱金属负极枝晶的不可控生长，减缓空气、水或强氧化性中间产物对碱金属负极的腐蚀。

【技术实现步骤摘要】
一种负极保护膜及其制备方法和应用、碱金属-空气电池
本专利技术属于电池
，特别涉及一种负极保护膜及其制备方法和应用、碱金属-空气电池。
技术介绍
碱金属-空气电池是以电极电位较负的碱金属作负极，以空气中的氧或纯氧作正极活性物质，一般采用碱性电解质水溶液为电解质溶液的电池体系。负极对于实现碱金属-空气电池的高能量密度非常重要，但是碱金属在沉积过程中会出现不可控的枝晶生长的情况，导致枝晶刺透碱金属-空气电池的隔膜、发生短路进而引起火灾等安全事故；同时，在碱金属-空气电池的半开放体系中，空气、水、强氧化性的中间产物等会与活泼的碱金属负极剧烈反应，直至将碱金属负极消耗殆尽，引起电池失效。因此，碱金属负极的不可控枝晶生长和严重腐蚀严重影响了碱金属-空气电池在实际产业化中的应用。目前，本领域通常在碱金属负极表面生成固体电解质界面膜(solidelectrolyteinterphase，SEI膜)来保护碱金属负极，但SEI膜不均匀且易破裂，仍不能避免枝晶的不规则生长以及严重腐蚀的发生，碱金属负极无法保证碱金属-空气电池的使用要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种负极保护膜，可有效稳定碱金属-空气电池中碱金属和电解液的界面，均匀碱金属离子沉积，减少碱金属负极枝晶的不可控生长，防止空气、水或强氧化性中间产物对碱金属负极的腐蚀。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种负极保护膜，包括聚合物膜和均匀分散在所述聚合物膜中的无机颗粒；所述聚合物膜的材质包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；所述无机颗粒包括氟化锂、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌中的一种或多种。优选的，所述聚合物膜与无机颗粒的质量比为50：(1～2500)。优选的，所述负极保护膜的厚度为50～500μm。优选的，所述无机颗粒的粒径为5～50000nm。本专利技术还提供了上述技术方案所述负极保护膜的制备方法，包括以下步骤：将聚合物、无机颗粒和有机溶剂混合，得到浆料；将所述浆料涂覆在衬底表面，溶剂蒸发后剥落衬底，得到所述负极保护膜。优选的，所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、丙酮、乙腈和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。优选的，所述聚合物和无机颗粒的总质量与有机溶剂的质量比为2：(1～10)。优选的，所述溶剂蒸发的温度为70～150℃，时间为4～168h。本专利技术还提供了上述技术方案所述负极保护膜或上述技术方案所述制备方法制备的负极保护膜在碱金属-空气电池中的应用。本专利技术还提供了一种碱金属-空气电池，包括正极、正极催化剂、负极和电解液，所述负极表面包覆有负极保护膜，所述负极保护膜为上述技术方案所述负极保护膜或上述技术方案所述制备方法制备的负极保护膜。本专利技术提供了一种负极保护膜，包括聚合物膜和均匀分散在所述聚合物膜中的无机颗粒；所述聚合物膜的材质包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；所述无机颗粒包括氟化锂、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌中的一种或多种。在本专利技术中，聚合物为基本成膜物质；无机颗粒作为填料，有利于增加负极保护膜的杨氏模量；将聚合物和无机颗粒结合起来，可有效稳定碱金属-空气电池中碱金属和电解液的界面，均匀碱金属离子沉积，减少碱金属负极枝晶的不可控生长，减缓空气、水或强氧化性中间产物对碱金属负极的腐蚀。实施例测试结果表明，以本专利技术提供的负极保护膜为碱金属负极表面的保护膜，所得的碱金属-空气电池具有较低的过电势和长的循环寿命，说明本专利技术提供的负极保护膜可以有效抑制碱金属负极离子沉积时枝晶的不可控生长，防止枝晶刺穿电池隔膜，且良好减缓碱金属负极的腐蚀。附图说明图1为实施例1所得负极保护膜的SEM图；图2为实施例1所得负极保护膜的XRD图；图3为实施例1所得负极保护膜的热重曲线图；图4为实施例1所得负极保护膜的拉伸性能曲线图；图5为实施例1的锂/锂对称电池中离子沉积SEM图；图6为实施例1的锂/锂对称电池循环曲线图；图7为应用例1所得锂-空气电池中负极腐蚀的SEM图；图8为应用例1所得锂-空气电池的循环曲线图；图9为对比例1的锂/锂对称电池中离子沉积SEM图；图10为对比例1的锂/锂对称电池循环曲线图；图11为对比应用例1所得锂-空气电池中负极腐蚀的SEM图；图12为对比应用例1所得锂-空气电池的循环曲线图。具体实施方式本专利技术提供了一种负极保护膜，包括聚合物膜和均匀分散在所述聚合物膜中的无机颗粒；所述聚合物膜的材质包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；所述无机颗粒包括氟化锂、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌中的一种或多种。在本专利技术中，若无特殊说明，所述各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。本专利技术提供的负极保护膜包括聚合物膜和均匀分散在所述聚合物膜中的无机颗粒。在本专利技术中，所述聚合物膜的材质包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。在本专利技术中，所述无机颗粒包括氟化锂、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌中的一种或多种。在本专利技术中，所述无机颗粒的粒径优选为5～50000nm，更优选为100～40000nm。在本专利技术中，所述聚合物膜与无机颗粒的质量比优选为50：(1～2500)，更优选为50：(5～500)。在本专利技术中，所述负极保护膜的厚度优选为50～500μm，更优选为100～400μm。本专利技术还提供了上述技术方案所述负极保护膜的制备方法，包括以下步骤：将聚合物、无机颗粒和有机溶剂混合，得到浆料；将所述浆料涂覆在衬底表面，溶剂蒸发后剥落衬底，得到所述负极保护膜。本专利技术将聚合物、无机颗粒和有机溶剂混合，得到浆料。在本专利技术中，所述聚合物与无机颗粒与上述负极保护膜技术方案中的聚合物与无机颗粒一致，在此不再赘述。在本专利技术中，所述有机溶剂优选包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、丙酮、乙腈和N-甲基吡咯烷酮中的一种或多种。在本专利技术中，所述聚合物和无机颗粒的总质量与有机溶剂的质量比优选为2：(1～10)，更优选为2：(2～9)。本专利技术对所述混合没有特殊限定，以聚合物、无机颗粒和有机溶剂充分混合均匀为准，具体的，如搅拌。得到浆料后，本专利技术将所述浆料涂覆在衬底表面，溶剂蒸发后剥落衬底，得到所述负极保护膜。在本专利技术中，所述衬底优选为玻璃。在本专利技术中，所述浆料在衬底表面的涂覆量以保证溶剂蒸发后的负极保护膜的厚度为准。在本专利技术中，所述涂覆的方式优选为溶液浇铸法。在本专利技术中，所述溶剂蒸发的温度优选为70～150℃，更优选为80～140℃；时间优选为4～168h，更优选为12～120h。在本专利技术中，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种负极保护膜，包括聚合物膜和均匀分散在所述聚合物膜中的无机颗粒；/n所述聚合物膜的材质包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；/n所述无机颗粒包括氟化锂、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌中的一种或多种。/n

【技术特征摘要】
1.一种负极保护膜，包括聚合物膜和均匀分散在所述聚合物膜中的无机颗粒；
所述聚合物膜的材质包括聚偏氟乙烯-六氟丙烯、聚环氧乙烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；
所述无机颗粒包括氟化锂、二氧化硅、氧化铝、氧化锆和氧化锌中的一种或多种。


2.根据权利要求1所述的负极保护膜，其特征在于，所述聚合物膜与无机颗粒的质量比为50：(1～2500)。


3.根据权利要求1所述的负极保护膜，其特征在于，所述负极保护膜的厚度为50～500μm。


4.根据权利要求1或2所述的负极保护膜，其特征在于，所述无机颗粒的粒径为5～50000nm。


5.权利要求1～4任一项所述负极保护膜的制备方法，包括以下步骤：
将聚合物、无机颗粒和有机溶剂混合，得到浆料；
将所述浆料涂覆在衬底表面，溶剂蒸发后剥落衬底，得到所述负极保护膜。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢海明，丛丽娜，孙立群，刘玉龙，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22