[发明专利]一种生物质纳米纤维隔膜、其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物质纳米纤维隔膜、其制备方法和应用，所述生物质纳米纤维隔膜包括具有致密结构的生物质纳米纤维膜层，其由化学修饰有氰基的生物质纳米纤维制成。在本发明中，由于氰基的修饰，生物质纳米纤维隔膜的表面能与液态电解液结合形成凝胶态，锂离子可通过该凝胶态传输，从而使得锂离子的传输不依赖于隔膜的孔径。本发明提供的生物质纳米纤维隔膜致密性良好且离子电导率高、电解液浸润性好、离子迁移数高。本发明避免了生物质纳米纤维隔膜要通过造孔来实现高的孔隙率以提高隔膜锂离子电导率的繁杂步骤，本申请提供的生物质纳米纤维隔膜具有良好的机械性能，实现了致密的生物质纳米纤维隔膜同样具有优异电化学性能的突破。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种生物质纳米纤维隔膜、其制备方法和应用。

背景技术

锂电池包括锂金属电池、锂离子电池，目前锂离子电池(LIB)是综合性能相对优异的动力/储能电池。随着高性能便携式电子产品和电动汽车需求的不断增加，对于锂离子电池能量密度、循环寿命和安全性的要求将大幅提升。锂离子电池主要由正极、隔膜、电解液和负极几个部分组成；在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。其中，作为锂离子电池的关键组件，隔膜起着隔绝正负极、防止电池短路和传导锂离子的作用。根据不同的物理化学特性，锂离子电池隔膜材料可分为织造膜、微孔膜、复合膜等类型；好的隔膜应该满足机械强度高、热稳定、电化学稳定、电解质浸润性好以及离子电导率高等性能。目前商业电池隔膜主要是聚烯烃如聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)，这些聚烯烃基隔膜有良好的化学、电化学稳定性和高的离子电导率。但是，聚烯烃隔膜的机械强度较弱、热稳定性较差，在高温下可能导致正负极材料直接接触，进而使电池短路，积聚大量热量从而引起电池起火或发生爆炸。另外，聚烯烃隔膜对电解质浸润性差，吸收电解液能力低，这容易对锂离子电池的性能产生极大影响。

生物质纤维素具有化学稳定性好、热稳定性优异、不溶于水及一般有机溶剂，以及具有良好的生物降解性等特点。现有研究发现，由生物质纳米纤维制备的隔膜有良好的电解质润湿性、热稳定性好、成本低等优势。并且，生物质纤维是可再生资源，数量如此巨大的生物质资源为生物质纤维的开发和利用提供了充足的底物来源。因此，生物质纳米纤维在电池隔膜中的应用有很大的前景。

制备隔膜的方法有很多，例如有静电纺丝法制备纳米纤维膜，以及真空干燥成膜等工艺。然而，由于生物质纳米纤维表面有丰富的羟基，在成膜的过程中纳米纤维之间由于羟基的强烈氢键合会产生无孔薄膜，这导致隔膜的离子电导率降低。为了提高生物质纳米纤维隔膜的离子电导率，通常采用添加造孔剂或者使用有机溶剂改变膜形成过程中的表面张力的方式，来调节生物质纳米纤维隔膜的孔径。但是，这些改进方法随着隔膜中孔的形成，会导致纳米纤维之间的连接变得松散，从而降低了隔膜的机械性能。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种生物质纳米纤维隔膜、其制备方法和应用，本申请提供的生物质纳米纤维隔膜具有良好的机械性能，并且离子电导率高。

本发明提供了一种生物质纳米纤维隔膜，包括：具有致密结构的生物质纳米纤维膜层，所述生物质纳米纤维膜层由化学修饰有氰基的生物质纳米纤维制成。

优选的，所述生物质纳米纤维隔膜还包括：复合在所述生物质纳米纤维膜层表面的涂覆层，所述涂覆层包括陶瓷颗粒和聚合物中的一种或多种。

优选的，所述陶瓷颗粒选自氧化铝、氧化硅和碳酸钙中的一种或多种；所述聚合物选自含氟聚合物、聚芳醚酮、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯和聚芳砜酰胺中的一种或多种，所述含氟聚合物优选选自聚偏氟乙烯、偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物、偏氟乙烯-氯三氟乙烯共聚物、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、氟化乙烯丙烯共聚物、乙烯四氟乙烯共聚物和乙烯三氯氟乙烯共聚物中的一种或多种。

优选的，所述生物质纳米纤维选自纤维素纳米纤维和几丁质纳米纤维中的一种或多种；所述生物质纳米纤维隔膜的厚度为5-500μm，机械拉伸强度为10MPa-300MPa。