一种电荷改性的纳米纤维素隔膜及其制备工艺的制作方法

1.本发明涉及电池技术领域，具体为一种电荷改性的纳米纤维素隔膜及其制备工艺。


背景技术：

2.钠金属电池因为其高的能量密度以及低廉的价格，表现出可观的大规模储能应用前景，是新一代极具潜力的电池。然而，钠负极面临着枝晶生长、严重的副反应等问题。无序生长的钠枝晶可能渗透到隔膜内部，导致死钠和电池短路，严重阻碍了钠基电池的商业化进展。
3.近年来，人们致力于从电极结构调整和电解质材料创新的角度来抑制钠枝晶，如在金属钠电极引入惰性功能性界面层、电极结构调控、超高浓度电解液及其电解液添加剂等等，性能获得了非常显著的提升。然而，电池隔膜作为电池的重要组成部件，其作用往往被忽略。钠离子电池常用隔膜是玻璃纤维或者滤纸；玻璃纤维隔膜的机械强度低，孔隙大且不均匀，从而导致不均匀的钠离子沉积，使得枝晶生成穿透隔膜导致短路；滤纸也因为其不均匀的孔隙导致电解液分布的不均匀而使得钠不均匀沉降，造成钠沉积不均匀，电池更易短路。
4.为了解决上述问题，专利(cn 114988446 a)通过在隔膜中加入氧化铝纳米线解决了电解液在隔膜内部的均匀性问题；专利(cn 115084781 a)也通过在隔膜上涂覆陶瓷涂层解决了隔膜的机械强度问题。然而，上述策略往往还需要过渡层或者粘结剂的使用，作为非活性物质，这些添加层也会影响电池整体的能量密度。所以基膜的种类选择，以及基膜的表面性质也是需要关注的方面。
5.基于上述考虑，我们提出了本专利。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种电荷改性的纳米纤维素隔膜及其制备工艺，解决了隔膜强度以及空隙不均匀等问题并提高电池的能量密度的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电荷改性的纳米纤维素隔膜及其制备工艺，所述纳米纤维膜由微晶纤维素酸解所得的纳米纤维素抽滤成膜而成，所述隔膜的抗张指数为75-99n
·m·
g-1，撕裂指数为20-28mn
·
m2
·
g-1，将其运用在钠金属电池中，能够将钠离子的脱溶剂化速度提升3倍左右。
8.进一步的，所述纳米纤维素膜，其厚度为5-20μm。
9.进一步的，所述纳米纤维素具有≥35％w/w的半纤维素含量以及≥230的长径比。
10.进一步的，所述电荷改性获得的是带负电荷的磺酸化纤维素。
11.进一步的，所述电荷改性隔膜由如下方法制备得到：
12.步骤一：微晶纤维素与53-65％浓硫酸混合，在室温下，搅拌20-80min，得到纳米纤维素悬浮液；
13.步骤二：在纳米纤维素悬浮液中加入离子水稀释到0.3-2.5wt％；
14.步骤三：真空抽滤并真空干燥约10-15min，滤膜的孔径为0.5-5μm。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
16.1.本发明通过将抗张和抗撕裂性能优异的纳米纤维素作为隔膜的材料，显著提高了隔膜的抗张性能和抗撕裂性能，相关指标能达到：抗张指数为75-99n
·m·
g-1，撕裂指数为20-28mn
·
m2
·
g-1。
17.2.本发明其隔膜孔径分布均匀，孔径均匀且致密形成的沉积层均匀，可以有效避开尖端效应，减少循环过程中枝晶生成，从而延长电池的寿命，即使在大电流密度下也具有较好的循环性能。
18.3.本发明在纤维素隔膜的基础上，通过电荷改性，使得纤维素隔膜带有负电荷，能够调控电池内电场分布，获得均匀的电场分布，使得钠沉积层更加平坦，减少钠枝晶的形成。
19.4.本发明的制备工艺简单，可控性强，隔膜厚度容易控制，具有普适性及规模化生产的基础。
附图说明
20.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
21.图1为本发明纳米纤维素膜的sem图。
具体实施方式
22.实施例1
23.纳米电荷改性的纤维素隔膜由以下步骤制备得到：
24.步骤一：将15g微晶纤维素与300ml 64wt％的硫酸溶液混合，在室温下进行搅拌1h；
25.步骤二：加入去离子水稀释到1.6wt％；
26.步骤三：真空抽滤、反复洗涤至ph值为中性，并真空干燥约10min，使用的滤膜的孔径为0.5μm，制备得到8μm的纳米纤维素薄膜。
27.完成以上步骤后，可得到电荷改性的纳米纤维素隔膜。其相关性能参数如下：
[0028][0029]
实施例2
[0030]
纳米纤维素膜由以下步骤制备得到：
[0031]
步骤一：将15g微晶纤维素与300ml 50wt％的硫酸溶液混合，在室温下进行搅拌
35min；
[0032]
步骤二：加入去离子水稀释到1.8wt％；
[0033]
步骤三：真空抽滤、反复洗涤至ph值为中性，并真空干燥15min，使用的滤膜的孔径为2μm，制备得到10μm的纳米纤维素薄膜。
[0034]
完成以上步骤后，可得到电荷改性的纳米纤维素隔膜。其相关性能参数如下：
[0035][0036]
实施例3
[0037]
纳米纤维素隔膜由以下步骤制备得到：
[0038]
步骤一：将15g微晶纤维素与300ml 50wt％的硫酸溶液混合，在室温下进行搅拌60min；
[0039]
步骤二：加入去离子水稀释到1.8wt％；
[0040]
步骤三：真空抽滤、反复洗涤至ph值为中性，并真空干燥15min，使用的滤膜的孔径为5μm，制备得到10μm的纳米纤维素薄膜。
[0041]
完成以上步骤后，可得到金属蒸镀复合纳米纤维素膜集流体。其相关性能参数如下：
[0042][0043]
通过实施例可知，本发明得到的电荷改性隔膜能够达到更加优异的抗张指数和撕裂指数，更好地满足电池的相关需求。


技术特征：
1.一种电荷改性的纳米纤维素隔膜及其制备工艺，其特征在于：所述纳米纤维膜由微晶纤维素酸解所得的纳米纤维素抽滤成膜而成，所述隔膜的抗张指数为75-99n
·
m
·
g-1，撕裂指数为20-28mn
·
m2
·
g-1，将其运用在钠金属电池中，能够将钠离子的脱溶剂化速度提升3倍左右。2.根据权利要求1所述的一种电荷改性的纳米纤维素隔膜，其特征在于：所述纳米纤维素膜，其厚度为5-20μm。3.根据权利要求1所述的一种电荷改性的纳米纤维素隔膜，其特征在于：所述纳米纤维素具有≥35％w/w的半纤维素含量以及≥230的长径比。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种电荷改性的纳米纤维素隔膜，其特征在于：电荷改性获得的是带负电荷的磺酸化纤维素。5.根据权利要求1-3任一项所述的一种电荷改性的纳米纤维素隔膜，其特征在于：所述电荷改性隔膜由如下方法制备得到：步骤一：微晶纤维素与53-65％浓硫酸混合，搅拌20-80min，得到纳米纤维素悬浮液；步骤二：在纳米纤维素悬浮液中加入离子水稀释到0.3-2.5wt％；步骤三：真空抽滤并真空干燥，滤膜的孔径为0.5-5μm。6.根据权利要求5所述的一种电荷改性的纳米纤维素隔膜制备工艺，其特征在于：所述步骤一中的搅拌在室温下进行。7.根据权利要求5所述的一种电荷改性的纳米纤维素隔膜制备工艺，其特征在于：所述步骤三中真空干燥的时间为10-15min。

技术总结
本发明公开了一种电荷改性的纳米纤维素隔膜及其制备工艺，制备方法包括如下步骤：步骤一：将微晶纤维素与53-65％浓硫酸混合，搅拌20-80min，得到纳米纤维素悬浮液；步骤二：在纳米纤维素悬浮液中加入去离子水稀释到0.3-2.5wt％；步骤三：真空抽滤并真空干燥，滤膜的孔径为0.5～5μm，得到电荷改性的纳米纤维素隔膜；本发明技术方案得到的隔膜的抗张指数为75-99N


技术研发人员：王红兵 姚永来 杨招 李星科 王昌辉 张卓
受保护的技术使用者：河南惠强新能源材料科技股份有限公司 襄阳惠强新能源材料科技有限公司 合肥惠强新能源材料科技有限公司
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25