[发明专利]具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜及其制备和应用。所述的聚偏氟乙烯膜是以具有三周期极小曲面结构的海胆壳作为模板，通过以下方法获得：将海胆壳制成厚度不超过160μm的海胆壳薄片，借助溶剂使PVDF渗透进海胆壳薄片的骨架中并完全填充该骨架，将填充有PVDF的海胆壳薄片用酸浸泡去除海胆壳模板，即得到具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜。所述具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜用作锂金属电池隔膜时，能显著提高锂金属电池的循环稳定性。

(一)技术领域

本发明属于锂电池领域，涉及一种具备仿生三周期极小曲面(TPMS)结构的聚四氟乙烯薄膜及其制备和作为隔膜在锂金属电池领域的应用。

(二)背景技术

隔膜材料在锂电池中起着非常重要的作用，它位于正负极之间，防止正负极接触，并且在不导电子的同时可以自由地导离子。但是对于锂金属电池，由于金属锂本身的活泼性，在充放电过程中不断地与有机电解液发生反应，形成SEI，同时由于金属锂充放电过程中也会伴随着巨大的体积变化，导致SEI的不断破裂，不断消耗电解液。由于金属锂在沉积过程中的不均匀性，会不断地产生锂枝晶，刺穿隔膜导致严重的安全问题。为了解决锂金属电池所存在的问题，获得更高库伦效率、更优异电化学性能的锂金属电池，人们提出了各种各样的解决方案，如对集流体进行设计，使用电解液添加剂或设计新型高浓度电解液。但是很多人忽视了隔膜在锂金属电池中的作用。PVDF具有耐化学性、加工性及抗疲劳和蠕变性，电绝缘性，这些优异的特性使得PVDF在锂电池领域应用特别广泛，包括粘结剂、隔膜等多个方面。但是传统的PVDF隔膜材料制备工艺复杂，成本较高。要想获得多孔PVDF隔膜材料，需要将PVDF与无机填料混合，这在一定程度上限制了其发展，并且要想获得具有三周期有序网络结构的隔膜材料更是难上加难。

在地球上，海胆存在距今已有上亿年，是海洋中的一种低等古老无脊椎动物。海胆种类很多，世界上存在750多种。海胆盘状或球状的胆壳为硬壳，一般在海胆处理过程中被当作固体废弃物，但是据记载，海胆壳不仅没有毒性，而且在中药上可以用来治疗哮喘，胃痛等症状。据报道，海胆壳具有三周期极小曲面结构(TPMS)。本发明意图利用海胆壳的三周期极小曲面结构为模板，制备具有海胆壳状仿生三周期极小曲面结构的PVDF隔膜，并将其用作锂金属电池隔膜，以期得到具有优异的电化学性能的锂金属电池。

(三)发明内容

本发明的发明目的是提供一种具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜及其制备方法和在锂金属电池中的应用，该具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜用作锂金属电池隔膜时能显著提高锂金属电池的循环稳定性。

下面具体说明本发明的技术方案。

第一方面，本发明提供了一种具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜，所述的聚偏氟乙烯膜是以具有三周期极小曲面结构的海胆壳作为模板，通过以下方法获得：将海胆壳制成厚度不超过160μm的海胆壳薄片，借助溶剂使PVDF渗透进海胆壳薄片的骨架中并完全填充该骨架，将填充有PVDF的海胆壳薄片用酸浸泡去除海胆壳模板，即得到具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜。

作为优选，海胆壳薄片厚度为80-160μm。

作为优选，所述的溶剂为NMP、N N-二甲基甲酰胺(DMF)或二甲基乙酰胺(DMAc)，更优选NMP。

所述浸泡使用的酸可以是盐酸、醋酸等可以与碳酸钙反应的酸。

第二方面，本发明提供了一种具备仿生三周期极小曲面结构的聚偏氟乙烯薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)取相对较平的废弃白海胆壳，将其用水冲洗，去除表面残余的有机成分；然后将洗净的海胆壳打破，选取相对较平的部分备用，打破过程中应尽量使相对较平的部分具有尽可能大的表面积，这样可制备面积尽可能大的薄膜，以提高制备效率；

(2)将步骤(1)选取的干净白海胆壳，制成厚度不超过160μm的海胆壳薄片；