[发明专利]一种细菌纤维素基水系锌离子电池隔膜材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种细菌纤维素基水系锌离子电池隔膜材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：一、将蒙脱土加入到去离子水中，通过机械搅拌分散均匀；再向其中加入小分子物质，在室温下搅拌，将蒙脱土剥离，获得含片层蒙脱土的悬浮液；二、将悬浮液离心分离，并用去离子水多次洗涤、离心，获得片层蒙脱土固体沉淀物；三、将片层蒙脱土固体沉淀物冷冻干燥，获得片层蒙脱土粉体；四、将片层蒙脱土粉体与细菌纤维素匀浆在去离子水中分散均匀，获得均质悬浮液；五、将均质悬浮液抽滤获得湿膜，并真空干燥，获得MMT/BC膜。本发明制备的MMT/BC膜具有高孔隙率、优异机械强度、高保液能力等性能，可提高水系锌离子电池中锌负极的电化学性能。

技术领域

本发明属于新能源材料与电化学领域，涉及一种锌离子电池隔膜材料的制备方法，具体涉及一种细菌纤维素基水系锌离子电池隔膜材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池在便携式移动电子设备、电动汽车等领域占据主导地位，但由于锂资源稀缺，使用有毒和易燃的有机体系电解液所引起的安全问题，阻碍了锂离子电池的进一步大规模应用。而水系锌离子电池以金属锌为负极，由于锌具有高丰度、高水环境耐受性、高理论质量比容量（820 mAh g^-1）、低氧化还原电位（-0.76 V vs. SHE）等优势，被视为锂离子电池的可替代电池体系。

以金属锌作为锌离子电池负极材料时，主要存在以下三个问题：不可控的锌枝晶的生长、腐蚀和析氢反应。其中，锌枝晶的不可控生长是研究最广泛的问题。水系锌离子电池中以近中性或弱酸性锌盐溶液作为电解液，在一定程度上可抑制锌枝晶的生长，但促进锌的均匀沉积/溶解仍是一项挑战。因金属锌负极表面存在缺陷，在热力学上位错位置更利于Zn²⁺成核沉积，不均匀的形核和生长则导致锌枝晶的形成，造成电池容量衰减。此外，水系锌离子电池中常用隔膜材料为玻璃纤维，其机械强度较差，不足以维持其在电池组装和循环过程中的结构完整性。且刚性锌枝晶具有高模量，易刺穿玻璃纤维隔膜，直接与正极接触，造成电池内部短路。

目前，科研工作者针对锌离子电池隔膜材料的研究主要针对玻璃纤维与商用Nafion膜性能改性，但其价昂、改性工艺复杂，在一定程度上增加了隔膜材料成本，损害锌离子电池低成本优势。细菌纤维素具有低成本、可再生、高机械性能、优异的亲水性等优势，可用于作为锌离子电池隔膜基底材料，提高隔膜物理抑制锌枝晶生长的能力。且蒙脱土具有金属离子吸附能力，可调控Zn²⁺在内部的传输行为，提升电池整体电化学性能。

发明内容

针对现有水系锌离子电池隔膜材料的不足，本发明提供了一种细菌纤维素基水系锌离子电池隔膜材料的制备方法。本发明制备的MMT/BC膜中，细菌纤维素价廉、机械强度高、保液能力好，作为锌离子电池隔膜材料，可与锌负极保持良好接触，且可物理抑制锌枝晶的生长；而蒙脱土因其层间荷负电，可吸附Zn²⁺，从而调控Zn²⁺在隔膜内部的传输，提升电池整体电化学性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种细菌纤维素基水系锌离子电池隔膜材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将蒙脱土加入到去离子水中，通过机械搅拌分散均匀；再向其中加入小分子物质，在室温下搅拌，将蒙脱土剥离，获得含片层蒙脱土的悬浮液，其中：小分子物质为甘氨酸、精氨酸或尿素等，蒙脱土与小分子物质的质量比为4~6：2~4 ；

步骤二、将悬浮液离心分离，并用去离子水多次洗涤、离心，获得片层蒙脱土固体沉淀物，其中：悬浮液离心分离的转速为1000~8000 rmp/min；

步骤三、将片层蒙脱土固体沉淀物冷冻干燥，获得片层蒙脱土粉体，其中：冷冻干燥的温度为-30~-10 ℃，真空度低于200 Pa；

步骤四、将片层蒙脱土粉体与细菌纤维素匀浆在去离子水中分散均匀，获得均质悬浮液，其中：片层蒙脱土粉体与细菌纤维素匀浆的质量比为1:15~150，细菌纤维素匀浆的浓度为1~3wt.%；