一种分子筛基膜作为多体系电池隔膜的应用和电池储能器件制造技术

本发明专利技术提供了一种分子筛基膜作为电池隔膜的应用和电池储能器件，涉及储能器件技术领域。本发明专利技术在原始隔膜上生长一层超薄致密的分子筛，将所得分子筛基膜作为多种电池体系的隔膜，具有优良的稳定性、机械强度、安全性、离子传输能力、可调节的孔隙率与致密度，与多个体系的电解液亲和，且质量轻、体积小，有利于构建高能量密度的电池体系，不易掉粉、脱落，不污染电解质。尤其在金属空气电池中，所述分子筛基膜作为电池隔膜，能阻止正极处空气与副产物透过隔膜腐蚀金属负极、并吸附电池运行中产生的副产物；在金属硫电池中，所述分子筛基膜具有负电性的骨架及微孔结构和丰富的离子传导位点，在有效阻止多硫化物穿梭的同时有利于金属离子传导。离子传导。离子传导。

【技术实现步骤摘要】
一种分子筛基膜作为多体系电池隔膜的应用和电池储能器件


[0001]本专利技术涉及储能器件
，特别涉及一种分子筛基膜作为电池隔膜的应用和电池储能器件。

技术介绍

[0002]近年来，除铅酸电池、镍氢电池、镍锰电池等传统储能体系外，金属离子电池、金属空气电池和金属硫电池等新型储能体系因其高理论能量密度而被广泛研究。其中，除常见的锂离子电池外，相关储能器件如锂空气电池、锂硫电池、钠离子电池、铝离子电池、钠空气电池、钠硫电池等体系也逐渐受到人们的密切关注。然而，上述金属离子电池、金属空气电池和金属硫电池体系的瓶颈问题严重制约其发展，例如负极处产生枝晶极易刺穿隔膜导致正负极短接，进而引发电池起火、爆炸等安全事故；而且在金属空气电池正极处空气与副产物易透过隔膜腐蚀金属负极，严重影响电池在环境空气下的应用潜能；在金属硫电池中，硫正极在充放电过程中产生多硫化物，通过隔膜穿梭至负极处腐蚀金属负极，降低其电池的循环稳定性。
[0003]隔膜作为电池的核心元件，对高能量密度电池的安全、稳定运行起到关键性作用，通过对隔膜改性可以在一定程度上缓解上述问题。然而，现有对于隔膜的优化策略，例如使用粘结剂构建无机
‑
聚合物复合隔膜——将无机物粘附在聚合物隔膜上、通过浸渍法进行有机涂层改性、或修饰固体电解质材料(厚度与质量通常较大)等无法同时解决上述多种新型储能电池的核心问题，且存在影响电池能量密度、改性物质脱落从而污染电解质、稳定性低等缺陷。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种分子筛基膜作为多体系电池隔膜的应用和电池储能器件。本专利技术将分子筛基膜作为电池隔膜，可应用于多种电池储能器件，能够有效同时解决多种新型储能电池的核心问题，提高多种电池的综合性能。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种分子筛基膜作为多体系电池隔膜的应用，所述分子筛基膜的制备方法包括以下步骤：
[0007]将原始电池隔膜置于分子筛生长母液中，在所述原始电池隔膜表面生长分子筛，得到所述分子筛基膜；所述分子筛生长母液包括摩尔比为(25～90):1:(1～10):(300～2000)的Na2O、Al2O3、SiO2和H2O；所述生长的温度为25～60℃。
[0008]优选地，所述原始电池隔膜的类型包括聚烯烃、无纺布或玻璃纤维类隔膜。
[0009]优选地，在置于分子筛生长母液中之前，还包括将所述原始电池隔膜进行预处理；所述预处理包括清洗、干燥和亲水处理；所述亲水处理包括依次进行第一亲水处理和第二亲水处理；所述第一亲水处理的处理液为过硫酸盐溶液；所述第二亲水处理的处理液为丙烯酰胺、硝酸铈铵和硝酸的混合溶液。
[0010]优选地，所述预处理后，还包括将所得预处理原始电池隔膜负载晶种。
[0011]优选地，配制所述分子筛生长母液的原料包括硅源、铝源、氢氧化钠和水；所述铝源包括铝、偏铝酸钠、氧化铝、氢氧化铝和拟薄水铝石中的一种或几种；所述硅源包括硅酸钠、白炭黑和硅溶胶中的一种或几种。
[0012]优选地，所述生长分子筛的过程中，还包括对所述分子筛生长母液进行紫外线辐照；所述紫外线辐照的条件包括：紫外线波长为290～390nm，辐照强度为0.8～20Wm
‑2，紫外线光源距分子筛生长母液液面的距离为1～20cm，辐照时间为6～20h。
[0013]优选地，所述原始电池隔膜表面生长分子筛之后，还包括将得到的膜材料进行改性，所述改性的方式包括以下至少一种：离子交换、缺陷修补、修饰表面活性剂、修饰硅烷偶联剂。
[0014]本专利技术提供了一种电池储能器件，所述电池储能器件中的隔膜为以上技术方案所述应用中的电池隔膜。
[0015]优选地，所述电池储能器件包括金属离子电池、金属空气电池和金属硫电池。
[0016]优选地，所述金属空气电池和金属硫电池中的金属包括单价金属、二价金属或三价金属。
[0017]本专利技术提供了一种分子筛基膜作为多体系电池隔膜的应用，所述分子筛基膜的制备方法包括以下步骤：将原始电池隔膜置于分子筛生长母液中，在所述原始电池隔膜表面生长分子筛，得到所述分子筛基膜；所述分子筛生长母液包括摩尔比为(25～90):1:(1～10):(300～2000)的Na2O、Al2O3、SiO2和H2O；所述生长的温度为25～60℃。本专利技术在原始电池隔膜上生长一层超薄致密的分子筛，将所得分子筛基膜作为电池隔膜，分子筛作为一种具有MO4(M＝Al，Si等)结构单元的无机多孔晶体材料，其具有良好的化学及电化学稳定性、机械强度及热稳定性，组装电池后，能够有效阻止负极枝晶生长、缓解负极体积变化与粉化，增强电池的安全性与稳定性。所述分子筛基膜作为电池隔膜，特别是在组装成金属空气电池时，能够有效阻止正极处空气透过隔膜腐蚀金属负极、并吸附储能器件运行过程中产生的副产物(如甲酸锂、乙酸锂等)，大幅提升储能器件的循环稳定性与在环境空气下的应用潜能；又特别是在组装成金属硫电池时，分子筛骨架呈负电性且具有微孔结构，能有效阻碍多硫化物的穿梭，而且连续致密的分子筛层能够有效将多硫化物限制在正极侧，特别是低硅铝比的分子筛膜可移动的阳离子数量较多，具有丰富的离子传导位点，离子电导率高，可以确保在阻挡多硫化物的同时利于金属离子的传导。本专利技术将所述分子筛基膜作为电池隔膜，能够解决多种储能电池，尤其是金属离子电池、金属空气电池和金属硫电池的核心问题。此外，本专利技术将所述分子筛基膜作为电池隔膜，还具有以下多种优势：
[0018](1)分子筛能够大幅增强隔膜的机械强度，因此可选用较轻薄的原始隔膜，进而提升电池的能量密度；
[0019](2)分子筛基膜可以在传导离子的同时改善电解质的溶剂化结构，并提升载流子离子迁移数；
[0020](3)分子筛生长在原始隔膜上，二者结合非常紧密，分子筛不易掉粉、脱落，无需采用粘结剂，不会污染电解质，从根本上避免粘结剂带来的传导阻碍与副反应；
[0021](4)通过调节分子筛的制备方式(如调节生长母液配比、生长温度、时间、晶种负载、紫外辅助)，可调节隔膜的孔隙率与致密度，通过对分子筛进行简单的改性(如离子交
换、缺陷修补、修饰表面活性剂、硅烷偶联剂等)，与更多电池体系相匹配，具有兼容度高、发展空间大的特点；
[0022](5)分子筛基膜与各类电解液体系亲和，且分子筛质量轻、体积小(负载量约1～2mgcm
‑2，厚度3～10μm)，不会影响电池的能量密度；
[0023](6)所述分子筛基膜的制备成本与能耗低，适合大规模生产制备。
[0024]因此，本专利技术将所述分子筛基膜作为电池隔膜，所述电池隔膜为多体系通用型多功能电池隔膜。
附图说明
[0025]图1为实施例1制备的LTAM
‑
Celgard隔膜、玻璃纤维(GF)隔膜与Celgard2400隔膜抑制多硫化物穿梭的效果对比图以及LTAM
‑
Celgard隔膜的X本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分子筛基膜作为电池隔膜的应用，所述分子筛基膜的制备方法包括以下步骤：将原始电池隔膜置于分子筛生长母液中，在所述原始电池隔膜表面生长分子筛，得到所述分子筛基膜；所述分子筛生长母液包括摩尔比为(25～90):1:(1～10):(300～2000)的Na2O、Al2O3、SiO2和H2O；所述生长的温度为25～60℃。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述原始电池隔膜的类型包括聚烯烃、无纺布或玻璃纤维类隔膜。3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，在置于分子筛生长母液中之前，还包括将所述原始电池隔膜进行预处理；所述预处理包括清洗、干燥和亲水处理；所述亲水处理包括依次进行第一亲水处理和第二亲水处理；所述第一亲水处理的处理液为过硫酸盐溶液；所述第二亲水处理的处理液为丙烯酰胺、硝酸铈铵和硝酸的混合溶液。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述预处理后，还包括将所得预处理原始电池隔膜负载晶种。5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，配制所述分子筛生长母液的原料包括硅源、铝源、氢氧化钠和水；所述铝源包括铝、偏铝酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：于吉红，迟茜文，尹心，李尚华，李玛琳，罗招娣，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：