一种耐枝晶刺穿的水系锌离子电池纸基隔膜的制备方法

本发明涉及一种耐枝晶刺穿的水系锌离子电池纸基隔膜的制备方法，属于电池隔膜制造。

背景技术：

1、煤炭、石油、天然气等传统能源面临着资源枯竭及环境污染等一系列问题，因此发展绿色高效的可再生能源转化与储存装置势在必行。锂离子电池在过去的几十年里以其优异的能量密度在电子领域发挥着重要的作用。然而，锂资源较为昂贵，有机电解液易燃，使得锂离子电池成本较高，安全性较低，这大大限制了锂离子电池的进一步发展。

2、水系电池由于使用了不易燃的无机盐水溶液作电解质，因而具有更低的成本及更高的安全性。在众多水系金属电池中，金属锌具有储量丰富、对环境友好的特点，以金属锌为阳极的二次电池被认为是有望代替锂离子电池的下一代储能装置。而且，金属锌作为阳极具有适当的氧化还原电位(相对于标准氢电极为0.763v)，较大的理论容量(820mah g-1)和较高的能量密度(5851mah cm-3)，水系电解质的高离子电导率和活性材料内相对较快的zn2+运输动力学使得水系锌离子电池还具有较大的功率密度，因此水系锌离子电池在储能领域具有广阔的应用前景。

3、电池隔膜作为电池的第三电极，其组成、孔隙率、离子电导率及机械强度等性质影响着锌离子在隔膜内部及电解液-负极界面处的传输行为，极大程度的影响着电池的寿命。水系锌离子电池常用的隔膜是玻璃纤维隔膜，但它的成本较高，脆性较大，湿强性能较差，且其厚度较大，隔膜内部纤维尺寸及孔径分布不均匀，极易导致电场及电解质离子分布不均匀，同时在“尖端效应”影响下，很容易产生枝晶刺破隔膜，导致电池短路。

4、因此亟需制备出低成本、高性能的电池隔膜以推动水系锌离子电池的发展及应用。

技术实现思路

1、为了解决以上存在的一种或多种问题，本发明提供了一种耐枝晶刺穿的水系锌离子电池隔膜的制备方法。本发明采用的lyocell纤维中含有大量的羟基，极性较强，对于强极性的水系电解液具有很好的亲和性；pet纤维中含有大量的苯环和酯基，刚性的苯环可以阻碍分子链自由旋转，且能够与极性酯基形成大共轭体系，增大纤维内部分子链的刚性，在热压时，pet纤维受热熔融可以进一步提高lyocell-pet纸基隔膜的湿强性能。本发明制备的lyocell-pet纸基隔膜用于水系锌离子电池时，能够进一步提升电池的电化学性能。

2、本发明的第一个目的是提供一种耐枝晶刺穿的水系锌离子电池纸基隔膜的制备方法，包括如下步骤：

3、将pet纤维与lyocell纤维浆料混合，加入水和分散剂，疏解，抄造成纸，脱水，干燥，热压，得到lyocell-pet混合纤维纸基隔膜。

4、在一种实施方式中，pet纤维与lyocell纤维浆料中的lyocell纤维的质量比为1：3～3：1。

5、在一种实施方式中，pet纤维、lyocell纤维浆料、水和分散剂的用量比为0.39g：9.81g：2000g：2ml～1.18g：3.27g：2000g：2ml。

6、在一种实施方式中，lyocell纤维浆料是将lyocell纤维加水后制成lyocell纤维原浆料；对lyocell纤维原浆料进行打浆得到lyocell纤维浆料；

7、其中，lyocell纤维的长度为2～4mm；打浆是采用pfi双盘磨浆机进行打浆；lyocell纤维原浆料的浆浓(质量浓度)为8～12％；lyocell纤维浆料的打浆度为75～90°sr。

8、在一种实施方式中，pet纤维的长度为5～7mm。

9、在一种实施方式中，分散剂为聚环氧乙烷(peo)、阳离子聚丙烯酰胺(cpam)、羧甲基纤维素钠(cmc)中的一种或多种，优选的为peo。

10、在一种实施方式中，疏解是在2500～3500rpm下疏解10～20min。

11、在一种实施方式中，抄造成纸是采用直径为20cm的圆形纸业成型器。

12、在一种实施方式中，脱水为压榨脱水。

13、在一种实施方式中，干燥是在100～120℃下干燥5～10min。

14、在一种实施方式中，热压是在130～170℃、3～5mpa下热压1～5min。

15、在一种实施方式中，lyocell-pet混合纤维纸基隔膜的克重为40～60g/m2。

16、本发明的第二个目的是提供一种由上述方法制备的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜。

17、本发明的第三个目的是提供一种水系锌离子电池，所述电池包含上述的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜。

18、本发明的第四个目的是提供上述lyocell-pet混合纤维纸基隔膜在电化学领域中的应用。

19、本发明的有益效果：

20、(1)本发明制备的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜内的lyocell纤维具有较高的电解液吸液性，pet纤维具有较高的机械强度，二者混合后，pet纤维在热压过程中受热熔融可以进一步提高lyocell-pet混合纤维纸基隔膜的机械强度及湿强性能，制得的隔膜具有较高的力学性能和孔隙率以及较小的孔径；由于lyocell-pet混合纤维纸基隔膜的孔径较小，能够避免隔膜-锌负极界面处的离子浓差极化现象，有利在锌负极表面产生均匀的沉积，减少了树突状枝晶的生成；且本发明的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜具有良好的湿强性能，在长时间工作下不易被枝晶刺穿，有很好的耐枝晶刺穿能力及电化学稳定性等性能，适用于水系锌离子电池。

21、(2)本发明制备的耐枝晶刺穿的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜通过将lyocell纤维原纤化得到更细小的lyocell纤维丝，在成纸过程中这些细小纤维丝相互交联，能够形成更多的接触点，进而形成更多的氢键和缠绕，使的该纸基隔膜的孔径更小，强度更高，有效延长了水系锌离子电池的使用寿命。

22、(3)本发明所述的耐枝晶刺穿的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜的制备方法是通过传统的湿法造纸技术制备的，制备工艺简单、成本较低、生产效率高，适合大规模生产。

技术特征：

1.一种耐枝晶刺穿的水系锌离子电池纸基隔膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的pet纤维与lyocell纤维浆料中的lyocell纤维的质量比为1：3～3：1。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的pet纤维、lyocell纤维浆料、水和分散剂的用量比为0.39g：9.81g：2000g：2ml～1.18g：3.27g：2000g：2ml。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的lyocell纤维浆料的打浆度为75～90°sr。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜的克重为40～60g/m2。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的分散剂为聚环氧乙烷(peo)、阳离子聚丙烯酰胺(cpam)、羧甲基纤维素钠(cmc)中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的热压是在130～170℃、3～5mpa下热压1～5min。

8.一种lyocell-pet混合纤维纸基隔膜，其特征在于，所述的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜采用权利要求1～7任一项所述的制备方法制备得到。

9.一种水系锌离子电池，其特征在于，所述电池包含权利要求8所述的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜。

10.权利要求8所述的lyocell-pet混合纤维纸基隔膜在电化学领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种耐枝晶刺穿的水系锌离子电池纸基隔膜的制备方法，属于电池隔膜制造技术领域。本发明通过将PET纤维与Lyocell纤维浆料混合，加入水和分散剂，疏解，抄造成纸，脱水，干燥，热压，得到Lyocell‑PET混合纤维纸基隔膜。本发明制备的纸基隔膜具有较高的力学性能和孔隙率以及较小的孔径，由于纸基隔膜的孔径较小，避免了隔膜‑锌负极界面处的离子浓差极化现象，有利于在锌负极表面产生均匀的沉积，避免树突状枝晶的生成，且本发明的纸基隔膜具有良好的湿强性能，在长时间工作下不易被枝晶刺穿，有很好的耐枝晶刺穿能力及电化学稳定性等性能，适用于水系锌离子电池。

技术研发人员：龙柱,史肖蓉,范时杰
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17