一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜及其制备方法和用途。与现有技术相比，该复合隔膜进一步提高了热稳定性和亲水性，并且具有环保、高性价比、良好的机械性能、超强的热稳定性和优异的电化学性能，是一种非常有前途的绿色高性能锂离子电池复合隔膜。离子电池复合隔膜。离子电池复合隔膜。

【技术实现步骤摘要】
一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]高比能量和长循环寿命的锂离子电池非常受欢迎，因为它们广泛应用于智能电子设备、便携式电子设备和电动汽车的每一个扩展用途。与此同时，由于环境污染和化石燃料耗尽，可持续能源设备的发展越来越受到关注。然而，锂离子电池的各种安全问题难以避免，内部短路问题是最关键的威胁之一。锂离子电池中的隔膜是防止此类故障的关键组件，因为它可以隔离正极和负极之间的直接接触，从而防止电池内部微短路的发生，同时隔膜的多孔结构将允许电解质中离子电荷的快速传输。
[0003]锂离子电池中使用的商用隔膜材料主要是聚烯烃，因为它们具有优异的电化学稳定性和良好的机械强度。然而，由于聚烯烃材料的非极性，这些材料显示出较差的电解质浸润性和亲和性，并且不易吸收具有高介电常数或高极性的电解质，例如碳酸酯类电解质。这些缺点导致较低的离子电导率和较高的隔膜/电解质阻抗。因此，具有强极性和高离子传导性的聚酰亚胺及其聚酰亚胺衍生物作为锂离子电池中隔膜的主体聚合物受到了特别关注。然而，聚酰亚胺及其聚酰亚胺衍生物隔膜也有其缺点，例如由于它们增强的化学结构稳定性而导致了其难以被加工。其次，材料高昂的成本也使得聚酰亚胺基隔膜难以商业化应用的重要原因。
[0004]可再生聚合物的使用有望解决以上问题。其中，纤维素膜具有超强的热稳定性和亲水性，是一种很有前途的锂离子电池隔膜候选材料。纤维素基材料在工业上有大量的应用，其中大部分在使用后被处理掉，例如含有大量醋酸纤维素的废弃香烟滤嘴，这造成了严重的环境污染和资源浪费。因此，回收废弃香烟滤嘴中的醋酸纤维素，并将其用作锂离子电池隔膜不仅可以减轻环境压力，而且可以生产出更多的增值产品。为了产生锂离子扩散所需的大量细孔，以实现充放电行为，同时具有优异的物理完整性，通过静电纺丝技术生产超细的纳米级纤维堆积的多孔网络是一个可行的选择。通过简单且高效的静电纺丝法以及同步碱性水解法，进行选择性地调节纺丝溶液的组分和性质来控制工艺和操作参数，最终可得到一种新型的废弃香烟滤嘴回收物衍生的多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺(HC/PI)纳米纤维复合隔膜。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足和缺陷而提供了一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜及其制备方法和用途。本专利技术从废弃香烟滤嘴中提取和纯化一种可再生聚合物
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醋酸纤维素(CA)，并与聚酰胺酸(PAA)电纺用于制备醋酸纤维素/聚酰胺酸(CA/PAA)复合膜，并通过阶梯升温进行热亚胺化得到醋酸纤维素/聚酰亚
胺(CA/PI)复合膜，将其置于氢氧化锂的碱性水解环境中将醋酸纤维素转化为纤维素的同时将聚酰亚胺转化为羧基化聚酰亚胺，最终得到了一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺(HC/PI)纳米纤维复合隔膜。该复合隔膜进一步提高了热稳定性和亲水性，并且具有环保、高性价比、良好的机械性能、超强的热稳定性和优异的电化学性能，是一种非常有前途的绿色高性能锂离子电池复合隔膜。
[0006]为实现上述目的，所采取的技术方案：一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)对废弃香烟滤嘴进行除杂，除纸，解纤和筛分处理，并将废弃香烟滤嘴进行清洗和干燥处理，回收废弃香烟滤嘴中的醋酸纤维素；将回收的醋酸纤维素溶解于极性溶剂得到醋酸纤维素溶液；
[0008](2)将二胺单体和二酐单体在0
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10℃下反应制备聚酰胺酸溶液，作为溶液2；
[0009](3)将步骤(1)得到的醋酸纤维素溶液和步骤(2)得到的聚酰胺酸溶液混合后得到醋酸纤维素/聚酰胺酸混合纺丝液，对得到的醋酸纤维素/聚酰胺酸混合纺丝液进行静电纺丝得到醋酸纤维素/聚酰胺酸复合膜；
[0010](4)将步骤(3)得到的醋酸纤维素/聚酰胺酸复合膜通过阶梯升温进行热亚胺化得到醋酸纤维素/聚酰亚胺复合膜；
[0011](5)将步骤(4)得到的醋酸纤维素/聚酰亚胺复合膜置于含氢氧化锂的溶液中进行碱水解反应，将水解后的复合膜经清洗、干燥处理后得到所述多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜。
[0012]优选地，所述步骤(1)中清洗是采用乙醇和水的混合物在超声条件下重复清洗3次，干燥温度为70℃，干燥时间为24h，所述第一有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基吡咯烷酮中的至少一种。
[0013]优选地，所述步骤(2)中二胺单体包括对苯二胺、二氨基二苯醚中的至少一种，所述二酐单体包括均苯四甲酸酐、联苯四甲酸二酐中的至少一种，所述二胺单体和二酐单体的摩尔比为1：1；所述第二有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基吡咯烷酮中的至少一种。
[0014]优选地，所述步骤(1)中醋酸纤维素溶液是质量分数为3
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6％的醋酸纤维素溶液；所述步骤(2)中聚酰胺酸溶液是质量分数为10
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15％的聚酰胺酸溶液。
[0015]优选地，所述步骤(3)中醋酸纤维素溶液和聚酰胺酸溶液的体积比为0.5
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2：10。
[0016]优选地，所述步骤(3)中静电纺丝条件包括：纺丝液用量为10mL，纺丝速度为2mL/h，纺丝电压为15kV，纺丝时间为5h，温度为30℃，湿度为30％。
[0017]优选地，所述步骤(4)中阶梯升温包括：使用氩气保护下的真空管式炉，依次加热到100℃，175℃和250℃，每个温度保持1h，加热速率为3℃/min。
[0018]优选地，所述步骤(5)中含氢氧化锂的溶液是浓度为0.05
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0.2mol/L氢氧化锂的乙醇溶液，碱水解反应时间为6
‑
24h。
[0019]本专利技术还提供了一种采用上述所述的制备方法制备而得的多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜。
[0020]本专利技术提供的多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜表现出良好的机械性能、优异的阻燃性、优异的热稳定性和良好的电解质润湿性。该多氢键交联型纤
维素/羧基化聚酰亚胺(HC/PI)纳米纤维复合隔膜得益于显著增强的复合隔膜/电解质浸润性以及优化了复合隔膜/电解质之间的界面接触，使其离子电导率远高于用液体电解质饱和的商用聚烯烃(PP)隔膜(0.14mS cm
‑1)。与使用商用的聚烯烃(PP)隔膜和传统的聚酰亚胺(PI)隔膜的组装电池相比，用多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺(HC/PI)纳米纤维复合隔膜组装的磷酸铁锂电池(LiFePO4)和钴酸锂电池(LiCoO2)都能表现出更高的初始充放电比容量、循环性能以及倍率性能。因此，这种来自废弃香烟滤嘴衍生的多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺(HC/PI)纳米纤维复合隔膜在高性能且绿色安全的锂离子电池上具有广阔的应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对废弃香烟滤嘴进行除杂，除纸，解纤和筛分处理，并将废弃香烟滤嘴进行清洗和干燥处理，回收废弃香烟滤嘴中的醋酸纤维素；将回收的醋酸纤维素溶解于第一有机溶剂得到醋酸纤维素溶液；(2)将二胺单体和二酐单体在0
‑
10℃下，在第二有机溶剂中反应得到聚酰胺酸溶液；(3)将步骤(1)得到的醋酸纤维素溶液和步骤(2)得到的聚酰胺酸溶液混合后得到醋酸纤维素/聚酰胺酸混合纺丝液，对得到的醋酸纤维素/聚酰胺酸混合纺丝液进行静电纺丝得到醋酸纤维素/聚酰胺酸复合膜；(4)将步骤(3)得到的醋酸纤维素/聚酰胺酸复合膜通过阶梯升温进行热亚胺化得到醋酸纤维素/聚酰亚胺复合膜；(5)将步骤(4)得到的醋酸纤维素/聚酰亚胺复合膜置于含氢氧化锂的溶液中进行碱水解反应，将水解后的复合膜经清洗、干燥处理后得到所述多氢键交联型纤维素/羧基化聚酰亚胺纳米纤维复合隔膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中清洗是采用乙醇和水的混合物在超声条件下重复清洗3次，干燥温度为70℃，干燥时间为24h，所述第一有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基吡咯烷酮中的至少一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中二胺单体包括对苯二胺、二氨基二苯醚中的至少一种，所述二酐单体包括均苯四甲酸酐、联苯四甲酸二酐中的至少一种，所述二胺单体和二酐单体的摩尔比为1：1；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓建辉，张国庆，杨晓青，谢汉林，张碧容，李鑫坤，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：