一種電池用聚離子液體改性隔膜、其制備方法及應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于電池隔膜技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電池用聚離子液體改性隔膜、其制備方法及應(yīng)用。該隔膜包括聚烯烴隔膜和聚離子液體有機(jī)框架改性層，所述聚離子液體有機(jī)框架改性層是以四氨基苯基卟啉為基礎(chǔ)，在聚烯烴隔膜上原位聚合形成的二維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聚烯烴隔膜。該隔膜的制備方法為：先將聚烯烴隔膜進(jìn)行預(yù)處理，后通過(guò)一鍋法將四氨基苯基卟啉在聚烯烴隔膜表面原位聚合得到。該方法使用少量單體即可制備輕薄且均勻的改性層，提高了電池中的離子傳輸速率，并且通過(guò)化學(xué)吸附和催化作用能夠促進(jìn)多硫化鋰轉(zhuǎn)化利用，將該電池用功能性隔膜應(yīng)用于鋰硫電池中，可達(dá)到提高電池性能的目的。可達(dá)到提高電池性能的目的。可達(dá)到提高電池性能的目的。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種電池用聚離子液體改性隔膜、其制備方法及應(yīng)用


[0001]本專利技術(shù)屬于電池隔膜
，具體涉及一種電池用功能性隔膜及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)介紹

[0002]隨著電動(dòng)汽車(chē)和綠色能源的不斷發(fā)展，人們對(duì)高能量密度可充電電池的需求也在不斷增加。鋰硫電池由于具有高理論比容量(1675mAh g
?1)和能量密度(約2600Wh g
?1)而成為非常有吸引力的高性能可充電電池(Advanced Materials,2017,29:1606817)。
[0003]鋰硫電池的放電過(guò)程包括兩部分：固態(tài)單質(zhì)硫被還原為可溶性的多硫化鋰(Li2S6，Li2S4)，再進(jìn)一步還原為不溶性的少硫化鋰(Li2S2，Li2S)。在這個(gè)過(guò)程中，多硫化鋰會(huì)溶解后穿過(guò)隔膜，一方面會(huì)造成活性物質(zhì)損失，另一方面多硫化鋰穿過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極，會(huì)腐蝕鋰金屬，加劇鋰枝晶的生長(zhǎng)。這就是多硫化鋰的“穿梭效應(yīng)”，也是目前限制鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題(Advanced Materials,2019,31:1901220)。
[0004]在過(guò)去的幾十年里，許多研究人員都在嘗試解決多硫化鋰的“穿梭效應(yīng)”問(wèn)題。目前，較為有效的方法之一是在電池隔膜或夾層中負(fù)載對(duì)多硫化鋰具有吸附和催化作用的材料，促進(jìn)多硫化鋰轉(zhuǎn)化。如何設(shè)計(jì)和制備對(duì)多硫化鋰具有高吸附和催化功能的材料是關(guān)鍵。目前，已經(jīng)有多種具有吸附和催化作用的納米材料被用于鋰硫電池，例如過(guò)渡金屬硫化物(如WS2，CN114464954A)、過(guò)渡金屬氧化物(如V2O5，CN114497888A)、過(guò)渡金屬氮化物(如NbN，CN114156597A)等。然而，這些報(bào)道的催化材料通常是貴金屬或儲(chǔ)量少的過(guò)渡金屬化合物，因此其大規(guī)模應(yīng)用受到限制。此外，常見(jiàn)的制備方法是將這些催化材料與碳材料混合后涂覆在聚烯烴隔膜上或作為鋰硫電池的獨(dú)立夾層，這類制備方法得到的催化材料顆粒往往不均勻或不夠致密，多硫化鋰仍易從間隙中穿過(guò)而無(wú)法被吸附轉(zhuǎn)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求中的一種或者多種，本專利技術(shù)提供了一種電池用聚離子液體改性隔膜、其制備方法及應(yīng)用，將制備的聚離子液體改性隔膜應(yīng)用于鋰硫電池中，能夠有效抑制多硫化鋰的穿梭效應(yīng)，達(dá)到提高電池性能的目的。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本專利技術(shù)的第一個(gè)方面，提供一種電池用聚離子液體改性隔膜，該隔膜包括聚烯烴隔膜和聚離子液體有機(jī)框架改性層；
[0007]其中，所述聚離子液體有機(jī)框架改性層是以四氨基苯基卟啉為基礎(chǔ)，在所述聚烯烴隔膜上原位聚合形成的二維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
[0008]所述電池用功能性隔膜具有增強(qiáng)電池循環(huán)穩(wěn)定性、提高電池活性物質(zhì)利用率的功能。
[0009]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述聚烯烴隔膜包括聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯/聚丙烯復(fù)合隔膜中的一種。
[0010]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述四氨基苯基卟啉包括金屬元素配位的四氨基苯基
卟啉、不含金屬的四氨基苯基卟啉中的一種或多種；
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選地，所述四氨基苯基卟啉的結(jié)構(gòu)如式R1所示，
[0012][0013]其中M為H2、Fe、Co、Ni、Al、Mg、Zn、Cr中的一種。
[0014]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述聚離子液體有機(jī)框架改性層的厚度為0.1μm～10μm。
[0015]按照本專利技術(shù)的第二個(gè)方面，提供一種電池用聚離子液體改性隔膜的制備方法，包括如下步驟：
[0016]S1：將聚烯烴隔膜進(jìn)行預(yù)處理；
[0017]S2：通過(guò)一鍋法將四氨基苯基卟啉原位聚合在所述聚烯烴隔膜表面。
[0018]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，S2中，具體包括如下步驟：
[0019]S21：將四氨基苯基卟啉、醛類化合物、二醛/酮類化合物、酸類化合物加入去離子水中，攪拌使其完全溶解混合均勻，得到反應(yīng)液；
[0020]S22：將S1中得到的預(yù)處理后的聚烯烴隔膜放置于S21中得到的所述反應(yīng)液中，加熱反應(yīng)設(shè)定時(shí)間后，洗滌，干燥，得到所述聚離子液體改性隔膜。
[0021]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，S1中，所述聚烯烴隔膜包括聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯/聚丙烯復(fù)合隔膜中的一種。
[0022]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，S1中，所述預(yù)處理包括強(qiáng)氧化性試劑加熱處理、氬等離子體反應(yīng)器處理中的一種；其中，所述強(qiáng)氧化性試劑為過(guò)硫酸氫鉀、過(guò)硫酸鉀中的一種。
[0023]優(yōu)選地，所述強(qiáng)氧化性試劑在溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～20％；加熱時(shí)間為0.25h～12h，加熱溫度為40℃～90℃；所述氬等離子體反應(yīng)器處理時(shí)間為1min～20min。
[0024]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，S21中，所述四氨基苯基卟啉包括金屬元素配位的四氨基苯基卟啉、不含金屬的四氨基苯基卟啉中的一種或多種；
[0025]所述醛類化合物為甲醛、乙醛、丙醛、正丁醛、異丁醛、苯甲醛、苯乙醛中的一種或多種；
[0026]所述二醛/酮類化合物為乙二醛、丙酮醛、丁酮醛、丁二酮、2,3
?
戊二酮、3,4
?
己二酮、二苯基乙二酮中的一種或多種；
[0027]所述酸類化合物為鹽酸、氫溴酸、氫碘酸、乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸中的一種或多種。
[0028]優(yōu)選地，所述四氨基苯基卟啉的結(jié)構(gòu)如式R1所示，
[0029][0030]其中M為H2、Fe、Co、Ni、Al、Mg、Zn、Cr中的一種。
[0031]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，所述反應(yīng)液中四氨基苯基卟啉在去離子水中的濃度為0.05mmol/L～50mmol/L；所述反應(yīng)液中醛類化合物、二醛/酮類化合物在去離子水中的濃度為四氨基苯基卟啉濃度的1倍～20倍；酸類化合物與去離子水的體積比為1:250～2:1。
[0032]作為本專利技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)，S22中，加熱反應(yīng)時(shí)間為2h～48h；加熱溫度為40℃～90℃。
[0033]按照本專利技術(shù)的第三個(gè)方面，提供一種聚離子液體改性隔膜作為鋰硫電池隔膜的應(yīng)用，采用所述的電池用聚離子液體改性隔膜，或者該聚離子液體改性隔膜采用所述的制備方法制備得到。
[0034]具體應(yīng)用時(shí)，按照正極殼、硫極片、所述電池用聚離子液體改性隔膜(滴加電解液)、鋰片、鋼片、彈片、負(fù)極殼的順序組裝電池，需要注意的是，改性隔膜的改性層應(yīng)接觸硫極片。
[0035]總體而言，通過(guò)本專利技術(shù)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：
[0036](1)本專利技術(shù)的電池用聚離子液體改性隔膜，聚離子液體有機(jī)框架改性層中的卟啉結(jié)構(gòu)含有氮原子和/或金屬原子，可通過(guò)化學(xué)吸附作用捕獲多硫化鋰，同時(shí)卟啉的催化作用能有效促進(jìn)多硫化鋰轉(zhuǎn)化利用，共同協(xié)作從而有效抑制多硫化鋰的存在，并且聚離子液體有機(jī)框架改性層中含有大量離子，能夠增強(qiáng)電解液的浸潤(rùn)性，提高電池中的離子傳輸速率，因此本專利技術(shù)能夠有效抑制鋰硫電池中多硫化鋰的穿梭效應(yīng)，達(dá)到提高電池性能的目的。
[0037](2)本專利技術(shù)的電池用聚離子液體改性隔膜的制備方法，通過(guò)一本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種電池用聚離子液體改性隔膜，其特征在于，該隔膜包括聚烯烴隔膜和聚離子液體有機(jī)框架改性層；其中，所述聚離子液體有機(jī)框架改性層是以四氨基苯基卟啉為基礎(chǔ)，在所述聚烯烴隔膜上原位聚合形成的二維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池用聚離子液體改性隔膜，其特征在于，所述聚烯烴隔膜包括聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯/聚丙烯復(fù)合隔膜中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池用聚離子液體改性隔膜，其特征在于，所述四氨基苯基卟啉包括金屬元素配位的四氨基苯基卟啉、不含金屬的四氨基苯基卟啉中的一種或多種；所述四氨基苯基卟啉的結(jié)構(gòu)如式R1所示，其中M為H2、Fe、Co、Ni、Al、Mg、Zn、Cr中的一種。4.如權(quán)利要求1
?
3任一項(xiàng)所述的電池用聚離子液體改性隔膜，其特征在于，所述聚離子液體有機(jī)框架改性層的厚度為0.1μm～10μm。5.一種電池用聚離子液體改性隔膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：S1：將聚烯烴隔膜進(jìn)行預(yù)處理；S2：通過(guò)一鍋法將四氨基苯基卟啉原位聚合在所述聚烯烴隔膜表面。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池用聚離子液體改性隔膜的制備方法，其特征在于，S2中，具體包括如下步驟：S21：將四氨基苯基卟啉、醛類化合物、二醛/酮類化合物、酸類化合物加入去離子水中，攪拌使其完全溶解混合均勻，得到反應(yīng)液；S22：將S1中得到的預(yù)處理后的聚烯烴隔膜放置于S21中得到的所述反應(yīng)液中，加熱反應(yīng)設(shè)定時(shí)間后，洗滌，干燥，得到聚離子液體改性隔膜。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的電池用聚離子液體改性隔膜的制備方法，其特征在于，S1中，所述聚烯烴隔膜包括聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯/聚丙烯復(fù)合隔膜中的一...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：解孝林，關(guān)心，聶輝，葉昀昇，周興平，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華中科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：