二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法和应用，该改性PP隔膜是取水滑石纳米片，经硅烷偶联剂引入双键，并以双键为活性接枝位点，接枝含咪唑乙烯类聚合物单体，将所得中间产物分散至水中后，刮涂于PP隔膜表面制得。本发明专利技术的二维水滑石分子刷改性PP隔膜兼具刚性和柔韧性，有利于抑制锂枝晶的生长和缓解电极体积变化问题，该改性PP隔膜用于装配得到具有优异电化学性能的锂金属对称电池。池。池。

【技术实现步骤摘要】
二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂金属电池隔膜材料
，涉及一种改性PP隔膜材料，具体地说是二维水滑石分子刷改性PP隔膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]现代社会中，大量的耗能功能设备层出不穷。从常见的移动手机到日渐普及的电动汽车，高能耗设备已经成为人类日常社会中不可或缺的重要组成部分。目前，锂离子电池作为最成熟的清洁储能器件之一，在各类电子器件和电动车等领域中得到了广泛的应用。然而，受限于较低的能量密度和功率密度，锂离子电池难以满足新能源电子和汽车等产业日益剧增的储能需求。因此，开发具有高能量密度、安全稳定的新型储能器件迫在眉睫。
[0003]不同于锂离子电池，锂金属电池由于其锂负极具有高理论比容量和低氧化还原电位，有望成为下一代储能器件。然而，锂金属的高活性，容易导致锂枝晶不可控生长，严重制约其长期运行稳定性和安全系数，难以实用化。此外，锂金属负极在充放电过程中往往伴随着剧烈的体积变化，进一步限制了其发展。
[0004]目前，解决锂枝晶不可控生长的主要思路是设计构筑如改性隔膜、固态电解质、人造SEI膜等具有高模量刚性骨架、多孔化传质通道或亲锂性沉积位点的界面层，从而实现锂金属均匀沉积，抑制枝晶形成。目前已有将二氧化硅、文晶石和类金刚石炭等刚性材料用于改性隔膜上来抑制锂枝晶的生长，然而这种方法依然难以有效缓解电极在使用过程中剧烈的体积变化。而采用PP隔膜等柔性材料也由于其各向异性结构难以提供充足的柔韧性，在锂金属电镀/剥离过程中容易受到应力形成严重卷缩甚至刺穿导致电池内部桥接短路，进一步限制锂金属电池在高容量、高电流密度下的应用。因此，在抑制锂枝晶生长的同时，进一步开发具有优良柔韧性的改性隔膜用于缓解电极体积变化仍存在重大挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的，是要提供一种二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法，通过改性水滑石纳米片后，在其表面接枝含咪唑乙烯类聚合物单体，进而制得二维水滑石分子刷改性PP隔膜，以达到制得兼具刚性和柔韧特性，既有利于抑制锂枝晶的生长，又能缓解电极体积变化问题的改性PP隔膜；
[0006]本专利技术的另一个目的，是要提供上述方法所制二维水滑石分子刷改性PP隔膜在锂金属电池中的应用，以达到提高锂金属电池电化学性能的目的。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法，它是取水滑石纳米片改性得表面含碳碳双键的水滑石纳米片，再以碳碳双键为活性接枝位点，表面接枝含咪唑乙烯类聚合物单体，制得二维铁锌水滑石分子刷；
[0009]将二维铁锌水滑石分子刷分散至水中后，涂至PP隔膜表面，制得二维水滑石分子刷改性PP隔膜。
[0010]作为本专利技术的一种限定，该制备方法包括依次进行的以下步骤：
[0011]S1.将金属盐前驱体和尿素溶于水，得水溶液，经水热合成反应后，离心，洗涤，干燥，得水滑石纳米片；
[0012]S2.取水滑石纳米片和含双键硅烷偶联剂分散于水，混合反应20
‑
26h，固液分离，洗涤，干燥，得表面含碳碳双键的水滑石纳米片；
[0013]S3.取表面含碳碳双键的水滑石纳米片，与含咪唑基团的乙烯类聚合单体和引发剂分散于N,N
‑
二甲基甲酰胺，经表面接枝反应后，洗涤，离心，干燥，得二维铁锌水滑石分子刷；
[0014]S4.取二维铁锌水滑石分子刷，分散于水后，刮涂至PP隔膜表面，得二维水滑石分子刷改性PP隔膜。
[0015]作为本专利技术的进一步限定，所述水热合成反应的反应温度为110
‑
135℃，反应时间为20
‑
25h；所述刮涂为单面刮涂。
[0016]所述表面接枝反应的条件为，在温度为55
‑
75℃，惰性气氛下密封反应20
‑
25h。
[0017]作为本专利技术的更进一步限定，步骤S3中，所述表面含碳碳双键的水滑石纳米片与N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量体积比为1
‑
5g：1L；
[0018]所述表面含碳碳双键的水滑石纳米片与含咪唑基团的乙烯类聚合单体的质量体积比为100g：1
‑
4L；
[0019]所述引发剂与含咪唑基团的乙烯类聚合单体的质量体积比为5
‑
15g:1L。
[0020]其中，所述洗涤采用的洗涤剂是由体积比为4：1的乙酸乙酯和乙醇混匀制得。
[0021]作为本专利技术的进一步限定，所述金属盐前驱体为硝酸锌、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镁和硝酸铝中的至少两种；
[0022]优选为，所述金属盐前驱体为硝酸锌、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镁和硝酸铝中的两种或三种；
[0023]所述含咪唑乙烯类聚合物单体为1
‑
乙烯基咪唑、2
‑
甲基
‑1‑
乙烯基咪唑和1
‑
烯丙基
‑3‑
乙烯基咪唑氯盐中的至少一种。
[0024]其中，所述引发剂为偶氮二异丁脒盐酸盐、偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈和偶氮二异丁酸二甲酯中的至少一种；
[0025]所述含双键硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅氧烷、乙烯基三甲氧基硅氧烷、γ
‑
甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷及乙烯基
‑
三(2
‑
甲氧基乙氧基)硅烷中的至少一种；
[0026]作为本专利技术的再进一步限定，所述水溶液中，金属离子的总浓度为0.1
‑
0.15mol/L，尿素浓度为0.1
‑
0.15mol/L。
[0027]作为本专利技术的进一步限定，步骤S2中，所述水滑石纳米片与水的质量体积比为1
‑
5g：1L；所述水滑石纳米片与含双键硅烷偶联剂的质量体积比为1g：10
‑
20μL；
[0028]步骤S4中，所述二维铁锌水滑石分子刷与水的质量体积比为5
‑
8g：1L。
[0029]本专利技术还提供了一种上述制备方法所制二维水滑石分子刷改性PP隔膜的一种应用，它用作隔膜装配至锂金属电池。
[0030]作为一种限定，所述锂金属电池由正极、负极、LS002电解液和所述二维水滑石分子刷改性PP隔膜装配组成。
[0031]也可根据本领域技术人员需要，自由选择所述二维水滑石分子刷改性PP隔膜与负
极壳、负极、弹片、垫片、正极、正极壳和电解液的组合。
[0032]由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
[0033]本专利技术通过引入刚性的二维水滑石纳米片，有效促进隔膜表面刚性界面的形成，优化其界面的机械性能；
[0034]本专利技术经硅烷偶联剂引入双键，并以双键为活性接枝位点，接枝含咪唑乙烯类聚合物单体制备，将高分子接枝至二维片状材料中，形成二维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法，其特征在于，它是取水滑石纳米片改性得表面含碳碳双键的水滑石纳米片，再以碳碳双键为活性接枝位点，表面接枝含咪唑乙烯类聚合物单体，制得二维铁锌水滑石分子刷；将二维铁锌水滑石分子刷分散至水中后，涂至PP隔膜表面，制得二维水滑石分子刷改性PP隔膜。2.根据权利要求1所述的二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：S1. 将金属盐前驱体和尿素溶于水，得水溶液，经水热合成反应后，离心，洗涤，干燥，得水滑石纳米片；S2. 取水滑石纳米片和含双键硅烷偶联剂分散于水，混合反应20
‑
26 h，固液分离，洗涤，干燥，得表面含碳碳双键的水滑石纳米片；S3. 取表面含碳碳双键的水滑石纳米片，与含咪唑基团的乙烯类聚合单体和引发剂分散于N, N
‑
二甲基甲酰胺，经表面接枝反应后，洗涤，离心，干燥，得二维铁锌水滑石分子刷；S4. 取二维铁锌水滑石分子刷，分散于水后，刮涂至PP隔膜表面，得二维水滑石分子刷改性PP隔膜。3.根据权利要求2所述的二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法，其特征在于，所述水热合成反应的反应温度为110
‑
135 o
C，反应时间为20
‑
25 h；所述刮涂为单面刮涂；所述表面接枝反应的条件为，在温度为55
‑
75 o
C，惰性气氛下，密封反应20
‑
25 h。4.根据权利要求3所述的二维水滑石分子刷改性PP隔膜的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述表面含碳碳双键的水滑石纳米片与N, N
‑
二甲基甲酰胺的质量体积比为1
‑
5 g：1 L；所述表面含碳碳双键的水滑石纳米片与含咪唑基团的乙烯类聚合单体的质量体积比为100 g：1
‑
4 L；所述引发剂与含咪唑基团的乙烯类聚合单体的质量体积比为5
‑
15 g：1 L。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴丁财，卢宇恒，刘绍鸿，崔印，刘如亮，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：