[发明专利]一种混合纤维素酯膜的应用及制备的电池和制备方法

说明书

本发明公开了一种混合纤维素酯膜的应用及制备的电池和制备方法。将该膜作为水系锌离子电池的隔膜表现出了非常优异的电化学性能。在5A g^‑1的大电流密度下，循环4000圈后的容量保持率仍高达91.8％，且库伦效率接近100％。本发明提供的新型隔膜可以大大延长水系锌离子电池的循环寿命和提高其循环稳定性，有利于推动水系锌离子电池的发展和应用。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种新型材料混合纤维素酯膜在水系锌离子电池制备中的应用。

背景技术

可充电电池广泛应用于电动交通工具、智能电网、医疗器械及各种便携式电子设备。目前，商业化锂离子电池由于具有高比能量和较长的循环寿命在电池市场中占据了主导地位，但是锂离子电池面临着原料成本高，锂资源短缺以及有机电解质的可燃性和离子电导率低等问题，其大大限制了锂离子电池的进一步发展。

水系电池由于采用盐的水溶液作为电解质，因而具有更高的安全性能以及更廉价的成本，被认为是适用于大规模廉价储能的电池体系。就目前报道的水系二次电池而言，金属锌由于具有天然丰度高，可回收，环境友好等优点，以金属锌为负极的水系二次电池受到人们的广泛关注。金属锌与水溶液相容性较好，理论比容量较高(820mAh g^-1)，可以弥补因电压范围小而带来的能量密度的损失。此外，水系锌离子电池采用硫酸锌或三氟甲烷磺酸锌的水溶液为电解质，其离子电导率(1～6S cm^-1)远高于有机电解质(0.001～0.01S cm^-1)。所以水系锌离子电池在储能领域具有广阔的应用前景。

隔膜对整个电池体系的性能具有至关重要的影响，但其在水系锌离子电池领域的相关研究还比较欠缺。对于一个性能优异的水系锌离子电池来说，其隔膜必须具备亲水性好，孔分布均匀，离子电导率较高，机械性能好等优点。目前，水系锌离子电池常用的隔膜是玻璃纤维膜和滤纸。虽然玻璃纤维膜与水性电解质具有很好的相容性，但其易碎性和大孔径使其很容易被负极上生长的锌枝晶刺穿，枝晶一旦接触到正极，就会导致电池短路。滤纸具有无规则的孔结构且分布不均，导致电解质在锌负极的各个区域上的润湿程度不同，这将会造成锌枝晶堆积生长。陈军等人研究发现Nafion膜由于具有单一离子导电性和丰富的磺酸基团，将其作为隔膜，可以提高水系锌离子电池的循环稳定性。但是Nafion膜价格昂贵，且在使用前要经过复杂的预处理过程，不适合规模化应用。

本发明提供了一种低成本水系锌离子电池隔膜，即混合纤维素酯膜。此膜是一种过滤膜，具有亲水性好，孔隙率高，且微孔结构均匀等优点，广泛应用于医药工业、电子工业、食品工业及科研实验室等滤除细菌和微粒，但从未有报道将此膜用作电池隔膜。该膜具有的均匀分布的孔结构，优异的亲水性能，良好的机械性能和离子电导率，可以诱发均匀的锌沉积过程，并促使锌离子高效可逆的传输，从而使电池表现出非常优异的电化学性能。

对所有电池体系来说，隔膜必须具备的要求是能稳定存在于电解液中。混合纤维素酯膜是一种水系滤膜，遇到有机溶剂，强酸性或强碱性的溶液会分解，所以其不能应用于有机体系的电池以及采用强酸或强碱为电解液的电池，如：有机金属离子电池，金属-空气电池和超级电容器。混合纤维素酯膜只能在微酸性或中性电解液中稳定存在，所以可以应用于水系锌离子电池，水系铝离子电池，水系镁离子电池。

发明内容

本发明第一个目的在于，提供混合纤维素酯膜在制备水系锌离子电池隔膜中的应用，该混合纤维素酯膜低成本、高性能，避免了传统玻璃纤维隔膜和滤纸的缺点，极大地提升水系锌离子电池的循环寿命。

作为优选，所述的混合纤维素酯膜的孔径大小为0.22～10μm，优选0.8～3μm，进一步优选0.8～1.2μm，最优选1.2μm。

作为优选，所述的混合纤维素酯膜的厚度为50～200μm，优选100～180μm，最优选130μm。

混合纤维素酯膜在使用前需蒸馏水浸泡过夜。