一种水系锌离子电池改性隔膜及其制备方法

本发明涉及新能源储能领域，尤其涉及一种水系锌离子电池改性隔膜及其制备方法。

背景技术：

1、在常见电化学储能体系中，锂离子电池在当前储能市场占据主导地位，但其安全性低、资源短缺等问题阻碍了其在电网规模储能领域的进一步应用。因此，对于更安全的可再生能源的开发迫在眉睫。

2、可充电水系锌离子电池由于高理论容量(820mah/g或5855mah/cm3)、丰富的储量、低氧化还原电位(-0.76v与标准氢电极相比)以及在水电解质中的出色相容性等优点，有望成为下一代储能技术的一个有前途的候选储能系统。然而，由于锌枝晶猖獗生长会刺穿隔膜，导致电池短路，且在大电流下更为明显。因此不令人满意的循环稳定性阻碍了锌金属阳极的应用。

3、对隔膜的改性是调节zn2+输运行为的便捷策略，因为它不仅提供电子绝缘和离子导电介质，而且还通过与电极直接接触参与构建界面。因此，通过电池隔膜的开发设计实现超高电化学稳定性的水系锌离子电池是一个巨大的挑战，也具有极大的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水系锌离子电池改性隔膜及其制备方法，制备的改性隔膜可以构筑离子加速层，减缓锌离子浓度梯度，调节均匀的锌离子通量，从而抑制枝晶生长，大幅提升电池的循环寿命、比容量和锌离子利用率，且适用于规模化生产。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、为解决上述问题，本发明提供了一种水系锌离子电池隔膜，包括由商用电池隔膜基材以及复合在隔膜基材单/两面的纳米级金属有机骨架材料涂层。

4、优选的，普通商用电池隔膜基材选自聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯薄膜-聚丙烯薄膜复合隔膜、玻璃纤维、多孔陶瓷纤维基膜中的一种或几种的复合。

5、优选的，纳米级金属有机骨架材料为普鲁士蓝类似物、沸石-咪唑框架材料、莱瓦希尔有机框架材料或通道式框架材料。

6、优选的，隔膜基材的厚度为400μm～800μm。

7、优选的，纳米级金属有机骨架材料涂层的厚度为5～20μm。

8、一种水系锌离子电池改性隔膜，制备方法如下：

9、(1)将适量的纳米级金属有机骨架材料均匀的分散在光滑平面上。

10、(2)将普通商用电池隔膜基材制备成所需大小。

11、(3)将制备好的商用隔膜基材挤压在附着纳米级金属有机骨架材料的光滑平面上，利用摩檫力和静电吸附，快速来回移动隔膜基材，使纳米级金属有机骨架材料均匀的分散在隔膜基材表面。

12、优选的，在(1)中，纳米级金属有机骨架材料的面积载量为0.5-5mg/cm2。

13、优选的，在(1)中，光滑平面包括陶瓷、金属、大理石等摩擦系数低的光滑平面。

14、优选的，在(3)中，移动隔膜基材的途径包括人工和机械手臂。

15、本发明采用上述电池隔膜制成电池。

16、电池隔膜用于定制离子通量并优化锌阳极表面的反应动力学，从而实现持久且无枝晶的锌沉积。改性层可以通过离子加速作用缓和锌金属表面的浓度梯度，调节锌离子通量，实现均匀沉积，同时改性层并不会影响全电池的比容量。

17、有益效果：本发明在隔膜基材的单面或双面均匀复合纳米级金属有机骨架材料涂层，纳米级金属有机骨架材料的超亲锌性和三维开放型骨架，弥补了在纯商用电池隔膜体系中由于离子传输缓慢而产生较大的zn2+浓度梯度所导致的zn2+通量不均匀的缺陷，提供了均匀的孔隙结构和快速的锌离子传输速率。所制备的改性隔膜可以构筑离子加速层，降低了锌离子嵌入/脱出的能量势垒，减缓锌离子浓度梯度，增强了隔膜的离子电导率，增大了体系的zn2+迁移数，削弱了水合锌离子去溶剂化所需的能量，调节均匀的锌离子通量，从而抑制枝晶生长，并且抑制了整个电池体系的寄生反应，大幅提升电池的循环寿命、比容量和锌离子利用率，且适用于规模化生产。

技术特征：

1.一种水系锌离子电池改性隔膜，其特征在于，包括由商用电池隔膜基材以及复合在隔膜基材单/两面的纳米级金属有机骨架材料涂层。

2.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池改性隔膜，其特征在于，所述的普通商用电池隔膜基材选自聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜、聚乙烯薄膜-聚丙烯薄膜复合隔膜、玻璃纤维、多孔陶瓷纤维基膜中的一种或几种的复合。

3.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池改性隔膜，其特征在于，纳米级金属有机骨架材料为普鲁士蓝类似物、沸石-咪唑框架材料、莱瓦希尔有机框架材料或通道式框架材料。

4.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池改性隔膜，其特征在于，隔膜基材的厚度为400μm～800μm。

5.根据权利要求1所述的一种水系锌离子电池改性隔膜，其特征在于，纳米级金属有机骨架材料涂层的厚度为5～20μm。

6.权利要求1-5任意一项所述的一种水系锌离子电池改性隔膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种水系锌离子电池改性隔膜的制备方法，其特征在于，在(1)中，纳米级金属有机骨架材料的面积载量为0.5-5mg/cm2。

8.根据权利要求6所述的一种水系锌离子电池改性隔膜的制备方法，其特征在于，在(1)中，光滑平面为陶瓷、金属或大理石。

9.根据权利要求6所述的一种水系锌离子电池改性隔膜的制备方法，其特征在于，在(3)中，移动隔膜基材的途径为人工或机械手臂。

10.一种水系锌离子电池，其特征在于，电池采用权利要求1至5中任一项所述的水系锌离子电池改性隔膜制备。

技术总结本发明涉及新能源储能领域，且提供了一种水系锌离子电池隔膜及其制备方法，该隔膜由隔膜基材以及复合在基材上的纳米级金属有机骨架材料涂层组成。本发明通过摩擦力和静电吸附将纳米级金属有机骨架材料静电吸附于商用电池隔膜完美结合。本发明利用纳米级金属有机骨架材料的超亲锌性和三维开放型骨架弥补了商用电池隔膜的不足，提供了均匀的孔隙结构和快速的锌离子传输速率，提高了水系锌离子电池的循环寿命和比容量。技术研发人员：陈铎,谭一程,申来法受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25