一种亲水性隔膜及含有该亲水性隔膜的电池制造技术

本发明专利技术公开了亲水性隔膜及含有该亲水性隔膜的电池，所述亲水性隔膜为含亲水性高分子材料的微孔膜；所述亲水性隔膜的孔径为0.1

【技术实现步骤摘要】
一种亲水性隔膜及含有该亲水性隔膜的电池


[0001]本专利技术属于电池
，具体涉及一种亲水性隔膜及含有该亲水性隔膜的电池。

技术介绍

[0002]能源和环境问题已成为关系全世界可持续发展的关键问题，开发新型绿色可再生能源以及可充放储能器件已经成为人类的迫切任务。近年来，锂离子电池具有能量密度较高、循环寿命长、无记忆效应等优点，在便携式电子产品、车用动力电池、大规模储能、通讯基站等领域应用广泛。但锂离子电池较高的成本、有限的锂储量、安全性差、环境污染问题使得其在特定的应用场景受到一定的限制。另外一种市场上主流的铅酸电池，其能量密度只有25
‑
45Wh/kg，使用的浓硫酸电解液具有很强的腐蚀性，漏液会产生较大的安全问题。此外，铅酸电池电极材料为铅和二氧化铅，其大量使用带来的重金属污染对人类健康和环境造成巨大的危害，例如“血铅”事件，重金属铅对土壤、水源等的污染。传统的镍镉电池含有大量有害的重金属元素,大规模应用会在生产和废弃阶段造成严重的环境污染，而且对环境温度要求严格，仅适用室内运行环境。镍氢电池存在成本高昂、负极合金原材料稀缺的问题，不适合大规模使用。传统的一次锌锰电池不可充放电，使用后存在回收处理等问题，造成了很大的资源浪费和环境污染。而传统的碱性可充电锌/二氧化锰电池又存在循环寿命短，性能稳定性低，且不能大电流充放电等缺点。
[0003]二次水系电池是近年来发展起来的一种新型可充放电池，如水系钠离子电池、水系钾离子电池、水系锂离子电池、水系锌离子电池、水系混合离子电池等。与有机电解液体系电池相比，二次水系电池具有环境友好、安全性高的优点。同时，由于其使用中性或偏酸性的电解液，相比于传统的水系碱性、酸性电池，又具有腐蚀性低、循环寿命长等优点，有着广阔的应用前景。
[0004]然而，目前在二次水系电池中常用的隔膜多数取用自锂离子电池、铅酸电池和碱性电池，例如无纺布、玻璃纤维膜、纤维纸以及微孔膜等。无纺布、玻璃纤维膜和纤维纸的孔径大、孔隙度高，具有良好的吸液性能和低内阻特性，然而电极表面的细小颗粒容易穿透该隔膜造成内短路，特别是充放电过程中电极表面会产生金属枝晶，穿过隔膜导致电池短路，因此大孔径的无纺布、玻璃纤维膜和纤维纸无法满足大部分二次电池的使用要求。
[0005]为降低电池短路风险，商用的二次电池多数采用具有孔径小、孔分布均匀特征的微孔膜作为电池隔膜。基于聚烯烃材料PP、PE制造的微孔膜已广泛应用于锂离子电池，但是聚烯烃材料的亲水性较差，无法直接用于水系二次电池中。为了提高聚烯烃微孔膜的亲水性需对隔膜进行亲水性处理。专利CN100452485C公开了一种表面接枝聚合物单体的聚烯烃微孔膜，增强了PP微孔膜的亲水性。专利CN110676416A公开了一种碱性电池隔膜，将聚烯烃微孔膜亲水化处理后再粘接辅助吸液隔膜，以提高复合隔膜的吸液能力。但通过亲水性处理的聚烯烃微孔膜只是表面的吸液能力有所提高，聚烯烃材料本身仍存在吸液性不足的问题。
[0006]另外，采用亲水性材料制作隔膜也可以提高吸液性能。专利CN104072794B公开了一种聚芳醚/亲水性树脂复合膜，在制作过程中添加适量亲水性树脂以提高隔膜吸收碱性电解液的性能。专利CN110165308A公开了一种由强亲水性的磺化树脂组成的带负电荷的多孔离子传导膜，用于碱性电池中具有阻挡锌酸根离子迁移的功能，防止锌枝晶生长。
[0007]在强酸、强碱或有机溶剂环境下使用的电池隔膜需要具备良好的稳定性，因此隔膜材料的选择有限。而针对腐蚀性较低的二次水系电池隔膜可以摆脱材质的限制，选择性更多。亲水性高分子材料，如聚酰胺、聚醚砜、聚氨酯、硝酸纤维素等制成具有微孔结构的薄膜，目前已被商业化用作生物、医药领域的亲水性过滤膜。此类微孔膜亲水性强、孔径小、孔隙率高、孔分布均匀，同时其厚度、结构强度能达到电池的使用要求，十分适合用作二次水系电池隔膜。
[0008]鉴于此，本专利技术基于生物、医药领域的亲水性过滤膜，开发能同时满足高阻隔性和良好亲水性的电池隔膜，并应用于二次水系电池。进一步地，基于亲水型高分子微孔膜的独特结构和材料性质，解决二次水系锌基电池中锌电极的循环稳定性差，极化电势高，以及枝晶生长造成的电池短路问题，达到了意想不到的效果。本专利技术还提供了亲水性微孔膜在二次水系锌基电池中的应用，提升了电池在高电流密度下的循环稳定性。

技术实现思路

[0009]本申请的主要目的在于提供一种具有微孔结构和强亲水性的亲水性隔膜，解决电池循环过程中电极颗粒穿过隔膜，造成电池短路的问题；同时，提供了所述的亲水性隔膜在电池方法的应用。
[0010]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0011]本专利技术的第一方面，提供一种亲水性隔膜，所述亲水性隔膜为含亲水性高分子材料的微孔膜；所述亲水性隔膜的孔径为0.1
‑
5um，厚度为20
‑
500um，孔隙率为30％
‑
90％。
[0012]上述一种亲水性隔膜，作为一种优选地实施方案，所述亲水性高分子材料为尼龙6，尼龙66，聚醚砜，醋酸纤维素或硝酸纤维素的至少一种。
[0013]上述一种亲水性隔膜，作为一种优选地实施方案，所述亲水性隔膜还包括无纺布或纤维纸，无纺布或纤维纸和亲水性高分子材料微孔膜相互覆盖粘结制成亲水性隔膜；优选地，所述亲水性隔膜的厚度为40
‑
500um。
[0014]上述一种亲水性隔膜，作为一种优选地实施方案，所述的亲水性隔膜应用于中性或偏酸性的二次水系电池中；所述的亲水性隔膜应用于水系钠离子电池、水系锂离子电池、水系锌基电池或水系混合离子电池。
[0015]本专利技术的第二方面，提供一种包含上述亲水性隔膜的电池，所述的电池包括所述亲水性隔膜、电解液、正极和负极；
[0016]所述正极包括正极活性材料，所述正极活性材料包括能可逆脱出
‑
嵌入离子的金属氧化物；优选地，所述金属氧化物为锰氧化物MnxOy，0<x≤3，0<y≤4；
[0017]所述负极为金属锌或锌合金的至少一种。
[0018]上述一种包含亲水性隔膜的电池，作为一种优选地实施方案，所述亲水性隔膜为含亲水性高分子材料的微孔膜，优选地，所述亲水性高分子材料为醋酸纤维素和/或硝酸纤维素。
[0019]优选地，所述亲水性隔膜的孔径为0.1
‑
5um，所述亲水性隔膜的厚度为40
‑
300um，所述亲水性隔膜的孔隙率为30％
‑
90％。
[0020]优选地，所述亲水性隔膜的孔径为0.1
‑
0.8um。
[0021]优选地，所述亲水性隔膜的孔径为0.1
‑
0.45um；所述亲水性隔膜的厚度为40
‑
150um；所述亲水性隔膜的孔隙率为60％
‑
90％。；
[0022]上述一种包含亲水性隔膜的电池，作为一种优选地实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种亲水性隔膜，其特征在于，所述亲水性隔膜为含亲水性高分子材料的微孔膜；所述亲水性隔膜的孔径为0.1
‑
5um，厚度为20
‑
500um，孔隙率为30％
‑
90％。2.根据权利要求1所述的亲水性隔膜，其特征在于，所述亲水性高分子材料为尼龙6，尼龙66，聚醚砜，醋酸纤维素或硝酸纤维素的至少一种。3.根据权利要求1所述的亲水性隔膜，其特征在于，所述亲水性隔膜还包括无纺布或纤维纸，无纺布或纤维纸和亲水性高分子材料微孔膜相互覆盖粘结制成亲水性隔膜；所述亲水性隔膜的厚度为40
‑
500um。4.根据权利要求1所述的亲水性隔膜，其特征在于，所述的亲水性隔膜应用于中性或偏酸性的二次水系电池中。5.根据权利要求1所述的亲水性隔膜，其特征在于，所述的亲水性隔膜应用于水系钠离子电池、水系锂离子电池、水系锌基电池或水系混合离子电池。6.一种包含权利要求1
‑
5之一所述亲水性隔膜的电池，其特征在于，所述的电池包括所述亲水性隔膜、电解液、正极和负极：所述正极包括正极活性材料，所述正极活性材料包括能可逆脱出
‑
嵌入离子的金属氧化物；所述金属氧化物为锰氧化物MnxOy，0<x≤3，0<y≤4；所述负极为金属锌或锌合金的至少一种。7.根据权利要求6所述包含亲水性隔膜的电池，其特征在于，所述亲水性隔膜为含亲水性高分子材料的微孔膜，所述亲水性高分子材料为醋酸纤维素和/或硝酸纤维素。8.根据权利要求7所述包含亲水性隔膜的电池，其特征在于，所述亲水性隔膜的孔径为0.1
‑
5um，所述亲水性隔膜的厚度为40
‑
300um，所述亲水性隔膜的孔隙率为30％

【专利技术属性】
技术研发人员：黄杜斌，王春源，李爱军，何鑫，田波，刘兴坤，陈锦华，
申请(专利权)人：北京金羽新能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：