[发明专利]用于在碱性电池中选择性离子渗透的离子选择性膜

说明书

一种碱性电池包括阳极，阴极，布置在该阳极与该阴极之间的隔膜，以及与该阳极、该阴极和该隔膜处于流体连通的电解质。该隔膜包括至少一个离子选择性层，该至少一个离子选择性层可以包含石墨烯、氧化石墨烯、还原的氧化石墨烯、官能化石墨烯、或其组合中的至少一种。这可以允许将该离子选择性层配置成选择性地阻挡锌酸根离子。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年8月31日提交的并且标题为“Functionalized Graphene forSelective Ion Penetration in Alkaline Batteries[用于在碱性电池中选择性离子渗透的官能化石墨烯]”的美国临时申请号62/552,780的优先权，将其全部内容通过援引方式并入本文。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在纽约州能源研究与开发局(New York State Energy ResearchDevelopment Authority，NYSERDA)的支持下进行的，项目编号为58068。政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

锌-阳极电池，尤其是碱性锌二氧化锰(Zn/MnO₂)电池，自其发明以来就已占据一次电池市场的主导地位。当前，由于基础材料的低成本和良好的安全特性以及其高的理论能量密度，这种化学对于大规模能量储存应用变得有吸引力。然而，典型的一次Zn/MnO₂电池通常仅达到MnO₂的第1电子容量，并且对于可再充电Zn/MnO₂电池，只有在降低大约10％-20％放电深度(DOD)下才能实现高循环寿命。达到较高的DOD导致MnO₂的有害相变和锌重新分布问题。

发明内容

本申请涉及用于制造含有官能化石墨烯的隔离膜的方法以及用于制造官能化石墨烯改性的电极的方法。本文还描述了含有此类复合膜和电极的碱性电池。

在实施例中，本申请的特征为一种方法，该方法包括选择作为用于该官能化石墨烯的基质的聚合物。该方法进一步包括将该官能化石墨烯均匀地分散在该聚合物基质中。该方法进一步包括由此混合物形成复合膜。

在实施例中，本申请的特征为一种方法，该方法包括形成具有一个在另一个之上堆叠并且重叠的官能化石墨烯单层的膜。该方法进一步包括将这些单层分散在溶剂中。形成该膜的步骤包括真空辅助过滤、压力辅助过滤、采用空气干燥或真空干燥的溶液流延、以及在空气-水界面处形成该膜。

该方法进一步包括将该官能化石墨烯膜涂覆有亲水性聚合物。经涂覆的膜具有夹层结构。该方法进一步包括该膜的交联。

在实施例中，本申请的特征为一种方法，该方法包括形成具有层压的官能化石墨烯单层和亲水性聚合物链的膜。该方法进一步包括将这些单层和聚合物均匀地分散在溶剂中。形成该复合膜的步骤包括真空辅助过滤、压力辅助过滤、采用空气干燥或真空干燥的溶液流延、以及在空气-水界面处形成该膜。该方法进一步包括将该官能化石墨烯膜涂覆有亲水性聚合物。经涂覆的膜具有夹层结构。该方法进一步包括该膜的交联。

在实施例中，本申请的特征为一种方法，该方法包括选择作为阴极材料的金属或金属氧化物或金属氢氧化物或其组合。该方法进一步包括将阴极材料颗粒与官能化石墨烯混合。该方法进一步包括选择作为粘合剂的聚合物，选择作为导电基质的碳，将它们与该官能化石墨烯改性的阴极材料混合，并且将混合物糊涂到集流体上。该方法进一步包括将金属箔直接涂覆有一个或几个官能化石墨烯层，并且将其用作阴极。

在实施例中，本申请的特征为一种方法，该方法包括选择作为阳极材料的金属或金属氧化物或金属氢氧化物或其组合。该方法进一步包括将阳极材料颗粒与官能化石墨烯混合。该方法进一步包括选择作为粘合剂的聚合物，选择作为导电基质的碳，将它们与该官能化石墨烯改性的阳极材料混合，并且将混合物糊涂到集流体上。该方法进一步包括将金属箔直接涂覆有一个或几个官能化石墨烯层，并且将其用作阳极。