[发明专利]一种通过接枝处理技术制备的锌离子电池隔膜及其应用

说明书

本发明涉及一种电池隔膜制造领域，具体涉及一种通过接枝处理技术制备的锌离子电池隔膜及其应用。本发明利用接枝生长工艺，通过表面活性剂与纤维和MOF颗粒之间所形成的氢键或离子相互作用，可以将MOF材料稳定有序的锚定在各类纤维膜表面，使得正常情况下更易团聚的MOF颗粒得以均匀分散在纤维表面以及纤维与纤维之间，在原有基础隔膜内部及表面重新构建一个MOF颗粒自发组成的MOF膜结构。本发明所获得的隔膜材料在1mA·cm^‑2的电流充放电的条件下，循环寿命达到1400h以上，且改性工艺简单方便，对环境极为友好，极大程度提高电池的使用寿命，便于广泛推广与应用；适用于水性锌离子电池、锌钒电池以及锌锰电池等二次电池隔膜。

技术领域

本发明涉及一种电池隔膜制造领域，具体涉及一种通过接枝处理技术制备的锌离子电池隔膜及其应用。

背景技术

水性锌离子电池由于具有较低的氧化还原电位(较标准氢电极：-0.76V)、较高的理论容量(820mAh·g^-1)，同时电解液为水性硫酸锌溶液，并无过高的危险系数，安全性较高且对环境极为友好，使其成为未来发展较为可观的二次电池，特别是在大规模储能及可穿戴电子储能设备等领域拥有极为广阔的发展前景。

目前，可充电的二次水性锌离子电池的隔膜并无开展大规模的研究，在目前的测试过程中，水性锌离子电池主要使用玻璃纤维作为隔膜，但是玻璃纤维作为隔膜时，其一由于玻璃纤维较为蓬松，纤维内部空隙较大，使得对锌离子在电解液中的运输并无显著的调控作用，导致锌枝晶的不断生长最终会穿透玻璃纤维隔膜造成电池内部短路，从而严重影响水性锌离子电池的使用，无论在锌电池的使用寿命或是安全性能上都造成不可估量的损伤；其二由于玻璃纤维在水性环境下，极易在电池的充放电过程中分解成条状纤维粘附在电池的正负两极，使得研究人员后续对两极的处理极为困难，很难得到理论上希望获得的研究成果；其三玻璃纤维作为水性锌离子电池所用的隔膜，其成本与水性锌离子电池所追求的低成本相违背。上述问题极大的限制了玻璃纤维作为二次水性锌离子隔膜的研究进展。

为此，国内外研究人员通过改变隔膜的基材、或是像隔膜中掺杂各类晶态多孔材料、亦或是对隔膜进行诸如等离子、磁控溅射等表面处理，以此提高隔膜在电池体系中对离子的引导迁移作用。如Tiancun Liu等人(Tiancun Liu,Jie Hong,Jinlong Wang,etal.Uniform distribution of zinc ions achieved by functional supramoleculesfor stable zinc metal anode with long cycling lifespan[J].Energy StorageMaterials,2021,16:27.)报道了一种独特的功能性超分子来修饰玻璃纤维隔膜(GF@SM)作为水性锌离子电池的隔膜，由于超分子中含有大量的亲锌基团，从而表现出与锌离子极高的亲和力，调控了锌离子在电解液中在正负两极间的相互传递，有效的降低了负极枝晶的生长，从而大幅改善了锌离子电池的电化学性能。

Jine Wu等人(Jine Wu,Chenguang Yuan,Tianyu Li,et al.Dendrite-FreeZinc-Based Battery with High Areal Capacity via the Region-Induced DepositionEffect of Turing Membrane[J].Journal Of The American Chemical Society,2021,143:13135-13144.)报道了一种新型的隔膜可以作为水性锌离子电池所使用，所研发的“Turing膜”由于具有有序的波动条纹，从而调节Zn(OH)₄^2-的分布，从而达到有效的抑制锌枝晶的目的，提高离子电导率。

但是，这些方法加工工程比较繁琐、成本较高，目前不适于大面积普遍生产。因此，亟待一种加工工程简便，且对环境极为友好，极大程度提高电池的使用寿命的电池隔膜制备方法，便于广泛推广与应用。

发明内容