[发明专利]一种锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜的制备方法与应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜的制备方法与应用。方法包括：将纳米纤维素粉末采用TEMPO氧化法进行氧化处理，经抽滤、洗涤和干燥获得羧基化纳米纤维素；将羧基化纳米纤维素经锆盐改性处理，经抽滤、洗涤和干燥获得锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜。本发明隔膜材料的制备工艺简单，材料来源丰富，对环境无污染，能大幅度提高电池性能，可用于锌离子电池与锂离子电池，相比现有隔膜更加轻、薄，具有较好的机械强度，高孔隙率和均匀孔径分布；本发明将生物质纤维素与高比能电池有机地联系在一起，并探究出金属离子交联在电池隔膜中独特的作用，提升了电池的稳定性、倍率特性和生态可持续性。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜及其制备方法与应用。

背景技术

可充放锌金属电池和锂金属电池具有理论能量密度高，循环稳定性好等优点。但是在二次金属电池循环过程中，比如水系锌金属电池中，存在着锌金属负极枝晶生长和枝晶穿透隔膜的问题，严重影响了锌离子电池的寿命。锂金属也存在类似的枝晶问题。因此，锌金属或锂金属的稳定性急需提高。

隔膜作为电池组成中的重要部分，起到分隔正负极，导通离子的作用。目前电池隔膜常用玻璃纤维隔膜或聚丙烯(PP)隔膜，这些隔膜的孔隙大且孔径分布不均，从而易导致循环过程中锌金属沉积不均匀，使得枝晶生成，最终穿透隔膜导致电池短路。同时，聚烯烃隔膜具有亲水性差，受热易变形和不可降解等缺点。目前提倡节能环保，一材多用，我们希望开发一种绿色环保性质稳定的多体系应用的功能隔膜材料。高性能隔膜应解决如下问题：孔隙分布不均匀导致锌沉积不均匀；“尖端效应”使锌沉积演变成枝晶生长，导致刺穿隔膜，最终电池短路。

发明内容

针对上述技术问题，本发明采用自然界常见植物提取的纤维素制成纤维素隔膜，以获得均匀又致密的孔隙，从而减少尖端效应的发生，并通过对纤维素进行金属离子交联改性，提高离子的均匀化分布程度，也增强纤维素隔膜的热稳定性，使得能够更好的延长电池的循环寿命以及扩充其使用领域。

为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜的制备方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1:将纳米纤维素粉末加入至去离子水中超声分散后获得纤维素悬浮液，采用TEMPO氧化法进行氧化处理，经抽滤、洗涤和干燥获得羧基化纳米纤维素；

S2:将所述羧基化纳米纤维素加入至去离子水中超声分散后，加入可溶性锆盐溶液搅拌反应，经抽滤、洗涤和干燥获得锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜。

进一步的，所述采用TEMPO氧化法进行氧化处理过程具体包括：

将溴化钠和2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物溶于去离子水，在搅拌的条件下加入纤维素悬浮液中，再加入NaClO溶液，获得反应混合液；

向所述反应混合液中滴加碱液调节pH至10，继续搅拌反应1-6h。

进一步的，所述可溶性锆盐为柠檬酸锆、硝酸锆、四氯化锆或氧氯化锆中的任意一种，浓度为1～12mmol/L。

进一步的，所述步骤S2中的搅拌反应时间为6～24小时。

进一步的，所述步骤S1和S2中干燥过程的温度为40-120℃，时间为8-48小时。

基于同一发明构思的，本发明实施例还提供了一种锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜，所述电池隔膜由上述制备方法制备获得；

所述电池隔膜中羧基化纳米纤维素通过锆离子交联，且在羧基化纳米纤维素表面包覆一层锆离子配位物。

进一步的，所述锆离子改性纳米纤维素纸基电池隔膜的孔隙率为40％～80％；所述羧基化纳米纤维素纸基电池隔膜的隔膜孔隙率为30％～50％。