[发明专利]一种带负电荷的多孔离子传导膜在碱性锌基电池中的应用

说明书

本发明提供一种带负电荷的多孔离子传导膜在碱性锌基电池中的应用，其特征在于：所述多孔离子传导膜由至少一种不带电荷的高分子树脂与至少一种带负电荷的高分子树脂，通过相转换法制备得到；所述多孔离子传导膜的孔径尺寸为0.2～80nm，孔隙率为30～80％。赋予隔膜负电荷，那么Zn(OH)₄^2‑在沿着膜的方向沉积时，隔膜上负电荷将排斥同样带负电荷的Zn(OH)₄^2‑到达金属锌表面沉积，即Zn(OH)₄^2‑背向膜侧沉积，防止锌枝晶对隔膜的破坏；同时，由于Zn(OH)₄^2‑的背向沉积，即Zn(OH)₄^2‑沿着电极方向沉积，电极与沉积的金属锌形成复合电极，在放电过程中，由于金属锌与电极良好的接触，锌的放电过程更为充分，从而较好地解决锌的累积问题。

技术领域

本发明涉及碱性锌基二次电池领域，特别涉及一种带负电荷的多孔离子传导膜在碱性锌基电池中的应用。

背景技术

锌位于元素周期表中第四周期，第二副族，原子序数30，原子量65.38，其晶体具有密排六方结构。锌是目前电池中广泛使用的负极材料，具有多种优越的性能，如较低的平衡电位、良好的可逆性、析氢过电位高以及电化当量低、高比能量和高能量密度等，而且锌的资源非常丰富，价格低廉且无毒。与传统的镉镍和铅酸电池相比，锌二次电池的推广应用可以充分有效地利用自然资源和避免对环境的污染，是碱性电池中较为理想的负极材料。锌基二次电池在在军事、宇航等高新技术领域及大规模储能领域具有广阔的应用前景。因此，锌基电池一直是科研工作者们关注的焦点。

上述碱性锌基电池均存在一个共性的问题：全电池的循环性能受锌负极，即电池充放电过程中锌枝晶及锌累积的制约。充电时，电极上的ZnO或Zn(OH)₂基本上完全还原成金属锌后，电极电势向负方向移动，这时对溶液中的锌酸盐离子进行还原，随着充电过程的继续，电极内的锌酸盐离子还原耗尽，电极外电解液中的离子需要扩散到电极表面进行还原。锌电极的充电过程的控制步骤主要是液相传质过程，充电过程中电极表面的电解质中的反应离子较为贫乏，浓差极化大，使得Zn(OH)₄^2-沿着扩散路程的反方向沉积。与电极的其他部位相比，Zn(OH)₄^2-更容易扩散到电极表面的突出部位，因而在突出部位锌沉积形成与电极基体结合不牢的树枝状结晶。目前解决碱性环境下锌枝晶问题主要采取在电解液中加入有机或无机添加剂的方法，但添加剂的加入易使得电极表面的极化增大，从而降低电池的效率。

发明内容

本发明利用带负电荷的多孔离子传导膜解决碱性锌基二次电池锌枝晶及锌累积问题，通过电荷排斥作用，控制锌的沉积方向，解决锌枝晶刺穿隔膜造成电池短路的危险。

本发明提供的技术方案为：一种带负电荷的多孔离子传导膜在碱性锌基电池中的应用，所述多孔离子传导膜由至少一种不带电荷的高分子树脂与至少一种带负电荷的高分子树脂，通过相转换法制备得到；所述带负电荷的多孔离子传导膜的孔径尺寸为0.2～80nm，孔隙率为30～80％。

所述的带负电荷的多孔离子传导膜是以由不带离子交换基团的有机高分子树脂和磺化(或羧酸化)高分子树脂中为原料复合而成；

优选所述的不带离子交换基团(不带电荷)的有机高分子树脂为聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚醚酮类、聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯；

优选所述磺化树脂和/或羧酸化树脂为磺化(羧酸)聚砜、磺化(羧酸)聚酰亚胺、磺化(羧酸)聚醚酮类、磺化(羧酸)聚苯并咪唑或全氟磺酸树脂。上述括号中的羧酸表示，也可以为羧酸化，例如磺化(羧酸)聚砜表示既可以是磺化的聚砜，也可以为羧酸化的聚砜。

优选羧酸化树脂的制备方法是将具有二氟二苯砜结构的单体与带有羧酸基团的双酚单体通过亲核取代反应聚合制备。该方法可通过改变单体摩尔比制备得到不同羧酸化程度的树脂。