【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于钠离子电池，具体涉及一种离子导体涂层修饰的隔膜、制备方法及其应用，特别是在组装钠离子对称电池以及全电池中的应用。
技术介绍
1、由于钠离子电池具有丰富的自然储量和全球分布，钠离子电池被认为是一种极具吸引力的储能装置，引起了学术界和工业界的广泛关注。然而，当前钠离子电池的能量密度仍然低于商业锂离子电池。引入金属钠作为阳极开发钠金属电池（钠金属电池指的是负极为纯钠金属的钠离子电池）是一种很有前途的提高能量密度的方法，因为其氧化还原电位较低，理论容量高。然而，电池领域的发展面临着各种挑战，特别是在电池运行过程中形成不可控的钠枝晶，这将进一步导致其库仑效率较差和安全风险，限制其实际应用。
2、目前，隔膜是连接两个电极的桥梁，在防止电路短路、允许电解液中的离子传输以及在使电极界面功能化方面发挥着关键作用。由于钠金属的柔软性和粘性，钠金属电池的隔膜通常使用较厚的玻璃纤维膜，以避免电池组装过程中的短路；然而，由于玻璃纤维隔膜成本高、厚度大，会显著降低电池的能量密度，因此在实际电池中应用具有极大的挑战性。此外，由于玻璃纤维隔膜的孔径较大，对于钠枝晶生长的抑制效果不佳，这是因为孔径较小的隔膜有利于钠沉积的顺利进行，当隔膜孔径大于临界核时，钠离子在电极表面的孔中分布更加均匀，从而促进钠离子的均匀沉积，避免了钠枝晶的生长。
3、针对上述问题，对钠离子电池玻璃纤维隔膜进行固态电解质涂层构建，将具有优异性能的钠离子导体na5smsi4o12固态电解质粉末涂在商用玻璃纤维隔膜两侧，能够有效改善酯基电解液与隔膜的浸润性，
4、本专利技术首次实现了将na5smsi4o12固态电解质材料作为商用玻璃纤维隔膜的涂层材料，将其通过简单流延法涂覆在玻璃纤维隔膜表面，实现了高效稳定的钠金属负极循环（隔膜是用来将电池正负极分开的材料，对于电池循环过程有着至关重要的意义，所以说我们的隔膜改性可以促进na离子的均匀扩散，最终的结果是实现了稳定的金属负极稳定循环）。该专利技术的特点是合成方法便捷，适合工业大规模生产，利用传统固相烧结合成的固态电解质粉末，仅需要简单的与粘结剂混合便可与玻璃纤维构建复合隔膜材料，制备方法可以规模化拓展，实现大尺度的玻璃纤维隔膜改性，有利于推动钠金属电池进一步商业化的推进。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种离子导体涂层修饰的隔膜、制备方法及其在组装钠离子对称电池和全电池中的应用，其首先是在传统固相烧结下制备na5smsi4o12离子导体粉末作为后续进行隔膜表面涂覆的前体材料，后续仅需要简单的与粘结剂等混合便可实现对商用玻璃纤维隔膜的改性。
2、本专利技术所述的一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其步骤如下：
3、（1）在空气中将原料na2co3、sio2、sm2o3按照摩尔比5：1：8称量，然后置于氧化锆球磨罐中，加入与原料相同质量的无水乙醇作为球磨的分散剂，再加入与原料质量比为4~6：1的氧化锆磨球，直径10mm大球与5mm小球的数量比例为2：1，设置球磨转速为400~800rpm，球磨30~50min后停止15~25min，共20~30个循环；
4、（2）将步骤（1）球磨后得到的湿浆料置于70~90℃真空烘箱中烘干，至粉末完全干燥后取出磨球；将粉末转移到玛瑙研钵中再充分研磨，并过200目筛网；将得到的前体粉末均匀铺设在氧化铝坩埚底部，并使用相同材料的氧化铝薄片作为盖子防止高温烧结过程中钠离子的挥发导致杂质的生成；将坩埚置于马弗炉中在空气、900~1000℃下煅烧15~30h，升温与降温速率均为3~6℃/min；待冷却至室温后将坩埚中的材料转移到玛瑙研钵中再充分研磨，至没有明显的颗粒感，将研磨后的材料再次过200目筛网，目的是使得粉末粒径更加均匀，有利于后续在粘结剂浆料中均匀的分散，从而得到na5smsi4o12离子导体粉末；
5、（3）将步骤（2）得到的na5smsi4o12离子导体粉末和pvdf粘结剂按质量比8~10：1的比例称量，加入到n-甲基吡咯烷酮中，然后密闭、剧烈搅拌12~20h，得到均一无沉淀的淡黄色的离子导体浆料；
6、（4）将玻璃纤维隔膜（gf/d）放置到玻璃板上，将步骤（3）得到的离子导体浆料滴在玻璃纤维隔膜的一侧表面，使用50~100μm医用刮刀涂覆，然后在70~90℃下真空烘干；待离子导体浆料完全干燥后，使用同样的方法在玻璃纤维隔膜的另一侧同样涂覆同等质量与厚度的离子导体浆料，然后在70~90℃下真空烘干；裁剪后得到离子导体涂层修饰的隔膜（即改性后的gf/d隔膜），放置到充满氩气的手套箱中备用。
7、反应方程式如下：
8、5na2co3+8sio2+sm2o3= 2na5smsi4o12+5co2
9、简单来说就是将对应元素的氧化物与碳酸钠混合，通过球磨使得原始材料粒径充分减小并混合均匀，再通过高温煅烧，使得细小的物质颗粒发生传质过程生成目标产物na5smsi4o12以及co2气体。
10、将上述na5smsi4o12粉末与pvdf粘结剂、溶剂混合均匀，使用可控厚度的刮刀涂覆在玻璃纤维隔膜的两侧，在真空干燥箱中烘干即可获得离子导体修饰的隔膜。
11、在本专利技术中，开发了一种全新的固相合成na5smsi4o12的方法，并将其通过简单流延法涂覆至玻璃纤维隔膜上，该方法具备规模化扩展性。经过na5smsi4o12离子导体涂层修饰的玻璃纤维隔膜，可以用于组装钠离子对称电池或全电池，其抑制枝晶的能力得到了明显的提升。
12、本专利技术的有益效果是：
13、本专利技术开发出了一种全新的固相合成na5smsi4o12的方法，该方法可仅通过简单球磨外加一步烧结实现纯相na5smsi4o12材料的合成，优化了该材料的合成过程，首次实现该材料固相烧结的纯相合成；
14、本专利技术对商用玻璃纤维隔膜的改性方法简便快捷，整个过程仅需要将na5smsi4o12电解质粉末与粘结剂混合并涂覆在玻璃纤维隔膜表面，具备规模化拓展潜力，无需大型复杂设备，能极大的促进钠金属电池的商业化进程；
15、本专利技术利用离子导体涂层修饰玻璃纤维隔膜，避免了由于电解液浸润性不佳造成的钠金属通量不均匀，能够有效促进钠金属均匀沉积，并且该涂层能够有效降低传统玻璃纤维隔膜的孔隙率，可以有效的阻止钠枝晶的穿透，提升了玻璃纤维隔膜可承受的电流密度，从而实现稳定、安全的钠金属电池。
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1.一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中氧化锆磨球为直径10mm的大球与直径5mm的小球两种，两者的数量比例为2：1。
3.如权利要求1所述的一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中是将得到的前体粉末均匀铺设在氧化铝坩埚底部，并使用相同材料的氧化铝薄片作为盖子，然后进行煅烧；研磨是在玛瑙研钵中进行。
4.如权利要求1所述的一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中煅烧时的升温与降温速率均为3~6℃/min。
5.一种离子导体涂层修饰的隔膜，其特征在于：是由权利要求1~4任何一项所述的方法制备得到。
6.权利要求5所述的一种离子导体涂层修饰的隔膜在组装钠离子对称电池或全电池中的应用。
【技术特征摘要】
1.一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其步骤如下：
2.如权利要求1所述的一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其特征在于：步骤（1）中氧化锆磨球为直径10mm的大球与直径5mm的小球两种，两者的数量比例为2：1。
3.如权利要求1所述的一种离子导体涂层修饰的隔膜的制备方法，其特征在于：步骤（2）中是将得到的前体粉末均匀铺设在氧化铝坩埚底部，并使用相同材料的氧化铝薄...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜菲，艾若芃，姚诗余，伊博谦，陈楠，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：
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