一种金属离子传输材料及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种金属离子传输材料及其制备方法和应用。本申请的金属离子传输材料为纳米纤维，并且，纳米纤维的表界面具有与金属离子配位的极性官能团；极性官能团包括氰基，以及磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种。本申请的金属离子传输材料，或其制备的电池隔膜，在表面具有大量的与金属离子配位的极性官能团，尤其是氰基，与磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种，两种官能团配合，既能够大量吸附溶液中的金属离子，又能够诱导金属离子沿纳米纤维或电池隔膜高速定向传输，从而提高电池的电化学性能；并且，基于定向传输机制的电池隔膜还能够提高电池的安全性能，为锌离子等电池体系的广泛应用奠定了基础。离子等电池体系的广泛应用奠定了基础。离子等电池体系的广泛应用奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种金属离子传输材料及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及电池隔膜
，特别是涉及一种金属离子传输材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前，随着太阳能、风能等间歇式能源器件转化效率的不断提高，对大型储能器件的各项性能指标提出了更高的要求。锂离子电池是当前最成功的商业化电池，但是锂离子电池存在安全性能差、锂资源匮乏等问题。特别是近年来电动汽车夏季时常发生自燃问题，这已经严重危害到了人民的生命财产安全。因此，开发具有高安全性能、高能量密度和低价格的储能电化学体系刻不容缓。
[0003]除了锂离子电池，近年来，一系列其它电池体系也在蓬勃发展，比如锌离子、钠离子、镁离子、钾离子等新型电化学储能体系，由于这些电池具有高安全性、低成本、自然资源丰富等优点，因此被人们认为是下一代电池理想的候选电池体系。
[0004]电池中隔膜的主要功能是防止正负电极之间接触引发短路，同时允许溶液中离子双向传输，这对电池的安全运行和电化学性能至关重要。目前，锂离子电池常用的商业化隔膜是聚乙烯或聚丙烯，但是这两类隔膜由于孔隙太小，对锌离子、钠离子、镁离子、钾离子等新型的电池体系都不适用。除了聚乙烯或聚丙烯隔膜以外，常用的商业化隔膜还有玻璃纤维隔膜；但是，该隔膜存在隔膜厚、孔隙率大、价格偏高等问题，对锌离子、钠离子、镁离子、钾离子等新型电池体系来说同样不友好。
[0005]因此，研发适用于锌离子等电池体系的隔膜材料对新型电化学储能体系的研究具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本申请的目的是提供一种新的金属离子传输材料及其制备方法和应用。
[0007]本申请采用了以下技术方案：
[0008]本申请的一方面公开了一种金属离子传输材料，该金属离子传输材料为纳米纤维，并且，纳米纤维的表界面具有与金属离子配位的极性官能团；极性官能团包括氰基，以及磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种。
[0009]需要说明的是，本申请的金属离子传输材料，在纳米纤维的表面同时包含氰基，以及磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种。在金属离子传输材料作为电池隔膜使用时，在充放电过程中，利用磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种，对液体中的金属离子进行吸附；然后，再利用氰基对金属离子进行定向传输；不仅提高了电池的电化学性能，而且还提高了电池的安全性能。本申请的一种实现方式中，极大的提高了锌离子的迁移数量和离子电导率。本申请中，金属离子传输包括金属离子在电驱动下沿着纳米纤维的表面或界面传输。
[0010]本申请的一种实现方式中，极性官能团之间的距离小于或等于两个溶剂化离子的
最短间距。
[0011]本申请的一种实现方式中，纳米纤维的直径为20
‑
500nm。
[0012]本申请的一种实现方式中，金属离子传输材料由第一组分和第二组分组成，第一组分为提供氰基的化合物，第二组分为提供磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种极性官能团的化合物。
[0013]本申请的一种实现方式中，第一组分为聚丙烯腈、乙腈、苯乙腈和二氰二氨中的至少一种；第二组分为5
‑
磺基水杨酸、3
‑
溴苯磺酸、5
‑
氨基
‑2‑
氟苯磺酸、苯酚、甲酸、乙酸、苯甲酸、乙二胺、乙胺、苯胺、乙酸乙酯和氧化石墨烯中的至少一种。
[0014]其中，聚丙烯腈、乙腈、苯乙腈、二氰二氨等用于提供氰基；5
‑
磺基水杨酸、3
‑
溴苯磺酸、5
‑
氨基
‑2‑
氟苯磺酸用于提供磺酸基；苯酚用于提供羟基；甲酸、乙酸、苯甲酸用于提供羧基；乙二胺、乙胺、苯胺用于提供氨基；乙酸乙酯用于提供羰基；氧化石墨烯能够同时提供羟基和羧基。
[0015]本申请的一种实现方式中，金属离子传输材料为聚丙烯腈和氧化石墨烯制备的纳米纤维。
[0016]需要说明的是，聚丙烯腈和氧化石墨烯只是本申请的一种实现方式中具体采用的能够提供所需极性官能团的化合物；其中，聚丙烯腈主要用于提供氰基，并作为纳米纤维的主体结构材料；氧化石墨烯用于提供羟基和羧基，将金属离子吸附在纳米纤维的表界面，然后再由氰基进行定向传输。
[0017]可以理解，除了聚丙烯腈以外，其他能够提供氰基的化合物也能够用于本申请，可以根据金属离子传输材料的具体应用选择相应的含有氰基的化合物材料，例如用于电池隔膜时，可以采用其他含有氰基的电池隔膜材料。本申请优选采用聚丙烯腈，一方面是因为聚丙烯腈能够适用于电池隔膜；另一方面是，聚丙烯腈能够作为静电纺丝的母液，与本申请的制备工艺相符。当然，如果采用其他电池隔膜制备工艺，也可以采用其他的相适应的隔膜材料。
[0018]同样的，氧化石墨烯也是本申请的一种实现方式中具体采用的能够提供羟基和羧基的化合物，不排除还可以采用其他能够提供羟基和/或羧基化合物。可以理解，羟基和/或羧基的作用主要是吸附金属离子，其他类似的能够吸附金属离子的极性官能团还包括磺酸基、氨基和羰基；因此，含有磺酸基、氨基或羰基的化合物同样可以用于本申请，并起到类似氧化石墨烯的作用。
[0019]本申请的一种实现方式中，氧化石墨烯的用量为聚丙烯腈重量的0.1
‑
1％。
[0020]需要说明的是，本申请的金属离子传输材料，其关键在于利用磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种吸附金属离子，并利用氰基对金属离子进行定向传输；因此，只要向聚丙烯腈中添加氧化石墨烯都能够起到提高了金属离子迁移数量和离子电导率的作用；并且，提高的程度与氧化石墨烯的添加量成正比。但是，考虑到作为电池隔膜使用时，电池隔膜需要具备绝缘性，并且，氧化石墨烯的量增加会增加静电纺丝的难度，本申请优选的氧化石墨烯的用量为聚丙烯腈重量的0.1
‑
1％。
[0021]本申请的一种实现方式中，根据需求，氧化石墨烯还可以使用元素掺杂进行改性，例如，掺杂元素可以是N、O、S、F、B中的一种或多种。
[0022]本申请的另一面公开了本申请的金属离子传输材料在电池隔膜中的应用。
[0023]需要说明的是，本申请的金属离子传输材料，能够吸附液体中的金属离子，并利用氰基进行定向传输，尤其适用于电池隔膜。可以理解，在其它需要对金属离子进行吸附和定向传输的应用中也能够使用本申请的金属离子传输材料，不仅限于电池隔膜。
[0024]本申请的再一面公开了一种电池隔膜，该电池隔膜采用本申请的金属离子传输材料制备而成，或者，电池隔膜中的其中至少一层为本申请的金属离子传输材料制备的膜材料。
[0025]需要说明的是，本申请的电池隔膜可以直接是采用本申请的金属离子传输材料制备而成，也可以是将本申请的金属离子传输材料制备的膜材料作为电池隔膜的至少一层，例如将本申请的金属离子传输材料制备的膜材料与聚烯烃微孔膜复合，形成多层结构的电池隔膜，具体根据使用需求而定，在此不作具体限定。
[0026]本申请的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属离子传输材料，其特征在于：所述金属离子传输材料为纳米纤维，并且，纳米纤维的表界面具有与金属离子配位的极性官能团；所述极性官能团包括氰基，以及磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种。2.根据权利要求1所述的金属离子传输材料，其特征在于：所述金属离子传输包括金属离子在电驱动下沿着纳米纤维的表面或界面传输；优选的，所述极性官能团之间的距离小于或等于两个溶剂化离子的最短间距；优选的，所述纳米纤维的直径为20
‑
500nm。3.根据权利要求1或2所述的金属离子传输材料，其特征在于：所述金属离子传输材料由第一组分和第二组分组成；所述第一组分为提供氰基的化合物；所述第二组分为提供磺酸基、羟基、羧基、氨基和羰基中的至少一种极性官能团的化合物。4.根据权利要求3所述的金属离子传输材料，其特征在于：所述第一组分为聚丙烯腈、乙腈、苯乙腈和二氰二氨中的至少一种；所述第二组分为5
‑
磺基水杨酸、3
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溴苯磺酸、5
‑
氨基
‑2‑
氟苯磺酸、苯酚、甲酸、乙酸、苯甲酸、乙二胺、乙胺、苯胺、乙酸乙酯和氧化石墨烯中的至少一种。5.根据权利要求3所述的金属离子传输材料，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘锋，姚路，秦润之，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：