氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜及其制备和应用，该复合气凝胶阻燃隔膜厚度为50～500μm，该阻燃隔膜用于锂离子电池领域。与现有技术相比，本发明专利技术所制备的基于氮化硼和细菌纤维素的复合气凝胶，不仅具有孔隙率大、离子电导率高的优点，还具有优异的阻燃性和热稳定性。尤为重要的是，该复合气凝胶阻燃隔膜前驱体的制备采用快速的超分子自组装法，这种方法效率高、工艺简单，有望实现规模化应用，具有重要的应用前景和价值。此外这种方法还有效解决了其它现有阻燃隔膜孔隙堵塞、阻燃剂泄露等问题。本发明专利技术涉及的复合气凝胶阻燃隔膜有望作为高安全性隔膜，应用于各种金属离子电池及超级电容器等能量储存器件中。中。中。

【技术实现步骤摘要】
氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜及其制备和应用


[0001]本专利技术涉及一种储能器件
，尤其是涉及一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜及其制备和应用。

技术介绍

[0002]目前，由于电子设备以及可穿戴设备的蓬勃发展，电子设备对高性能锂离子电池的需求也日益增加。近年来屡屡发生电动汽车等其他电子设备起火爆炸等事件，因此人们越来越关注电子设备的电源安全性问题。锂离子电池的主要组件包括正极材料、负极材料、隔膜、集流体等，其中隔膜材料和液态有机电解液对电池安全性的影响最大。现有的技术，为了获得更好的阻燃效果，通常会在电解液中加入大量阻燃剂，而这些阻燃剂的加入导致电解液离子电导率降低，使器件的性能降低。目前商用隔膜材料主要为聚烯烃基隔膜，其面临高温热收缩、高度易燃性、电解质润湿性低、成本高等问题。此外，聚烯烃基隔膜的孔径分布较宽，导致电荷存储过程中锂离子通量不均匀，进而导致锂枝晶的生长甚至刺穿隔膜，造成严重的安全隐患。
[0003]中国专利CN112201905A公开了一种纤维素基锂电池阻燃隔膜及其制备方法，该阻燃隔膜采用细菌纤维素与造成剂、阻燃剂等功能性粒子制成具有叠层结构的隔膜，所述功能性粒子选自Al(OH)3、Mg(OH)2、SiO2、TiO2、CaCO3，制备时将功能性粒子用去离子水超声分散后加入细菌纤维素分散液混匀，抽滤成膜，干燥即可，所述隔膜具有叠层结构，有助于提升隔膜的吸液率，改善隔膜持液率，阻燃剂的加入使隔膜具有阻燃耐热性能，用陶瓷纳米颗粒(包括SiO2、ZrO2、Al2O3)涂覆聚烯烃隔膜，以提高电解质的润湿性和热稳定性。另一方面，使用一些无机成分组成的隔膜是应对挑战的另一种解决方案，例如羟基磷灰石或SiO2。但该专利技术不可避免地增加了隔膜的厚度，无机纳米例子往往会堵塞隔膜的孔隙并降低其孔隙率，这些陶瓷涂层由于机械能耗散能力有限，无法为聚烯烃隔膜提供足够的保护以免受外部冲击，所有这些都会损害LIB的电化学性能。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜及其制备和应用，氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜具有优异的阻燃性、高孔隙率，离子电导率、热稳定性、超亲电解液，这种阻燃隔膜作为高安全性隔膜，有望应用于锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池超级电容器等多种能量储存器件中。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006]本专利技术的技术方案之一提供了一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、将H3BO3加热溶解于水和叔丁醇(TBA)的混合溶液中，加入C3H6N6，得到混合溶液；
[0008]S2、将步骤S1中得到的混合溶液转移至模具中，得到C3H6N6‑
H3BO3超分子水凝胶，将
其冷冻干燥后得到C3H6N6‑
H3BO3超分子气凝胶备用；
[0009]S3、将步骤S2中得到的C3H6N6‑
H3BO3超分子气凝胶加热，置于Ar和NH3的混合气氛中，得到BN气凝胶；
[0010]S4、将细菌纤维素分散液滴涂于步骤S3中得到的BN气凝胶表面，经冷冻干燥后得到氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜。
[0011]进一步地，步骤S1中，所述加热温度为70～100℃。
[0012]进一步地，步骤S1中，所述H3BO3和C3H6N6的质量比为0.25～4。
[0013]进一步地，步骤S1中，所述水和叔丁醇的体积比为0.1～10。
[0014]进一步地，步骤S1中，所述H3BO3与水和叔丁醇的混合溶液的体积比为0.001～10。
[0015]进一步地，步骤S1中，所述溶解温度为80℃。
[0016]进一步地，步骤S1中，所述混合溶液颜色为透明色。
[0017]进一步地，步骤S1中，所述混合溶液通过持续搅拌后得到。
[0018]上述更进一步地，所述搅拌时间为0.5～12h。
[0019]进一步地，步骤S2中，所述模具温度为室温(约25℃)。
[0020]进一步地，步骤S2中，将步骤S1中得到的热的混合透明溶液转移至室温的模具中，直到获得不透明的白色水凝胶，该过程是H3BO3和C3H6N6在温度驱动下的自组装过程，采用偏光显微镜对该过程进行实时监测和控制，这对氮化硼气凝胶的制备，结构调控及性能至关重要。
[0021]进一步地，步骤S2中，所述超分子水凝胶及超分子气凝胶均为白色。
[0022]进一步地，步骤S2中，所述冷冻干燥时间为5～12h。
[0023]进一步地，步骤S3中，所述加热温度为1200℃，加热速率为1～10℃/分钟，所述加热时间为0.5～5h，环境为水平石英管中。
[0024]进一步地，步骤S3中，所述Ar和NH3的混合气氛比例Ar/NH3为1～0.1。
[0025]进一步地，步骤S4中，所述氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜中细菌纤维素与氮化硼的质量比为0.01～0.5。
[0026]进一步地，步骤S4中，所述冷冻干燥时间为反应时间为5～12h。
[0027]本专利技术的技术方案之二提供了一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜，其采用如上任一所述的制备方法制备得到，该复合气凝胶阻燃隔膜厚度为50～500μm，该复合气凝胶阻燃隔膜表现出优异的阻燃性、亲电解液性。
[0028]本专利技术的技术方案之三提供了一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜的应用，该阻燃隔膜用于锂离子电池领域，具体步骤为：
[0029]以磷酸铁锂极片为正极，以锂片为负极，以氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜为电池隔膜，组装得到基于氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶隔膜的2032纽扣锂离子电池，该锂离子电池表现出优异且稳定的电化学性能。
[0030]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0031]1.该气凝胶的前驱体由C3H6N6‑
H3BO3超分子水凝胶经冷冻干燥得来，C3H6N6和H3BO3在温度驱动下仅需几十秒即可完成自组装转变为超分子水凝胶，得益于制备条件温和、规模化制备效率高的特点，利用偏光显微镜原位监测了C3H6N6‑
H3BO3超分子的动态成核和生长过程，这些过程的瞬态阶段和反应动力学的细节被捕获并实时可视化，只需几秒钟即可在
温度驱动下完成成核过程，超分子成核是一个动态演变过程，C3H6N6‑
H3BO3发生自组装，形成超分子纳米纤维并不断向外生长，不同的纳米纤维相互重叠形成超分子水凝胶，这些反应细节对于最终阻燃纤维的结构和性能至关重要，水凝胶经高温退火得到的氮化硼气凝胶进一步与细菌纤维素结合形成复合气凝胶隔膜，该隔膜具有出色的阻燃性和电化学性能，门槛所在为超分子水凝胶自组装过程的调控及其与细菌纤维素的复合的整体设计和构思以及相关加工处理工艺；
[0032]2.本专利技术以商业化的磷酸铁锂为正极、锂片为负极，以基于氮化硼本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将H3BO3加热溶解于水和叔丁醇的混合溶液中，加入C3H6N6，得到混合溶液；S2、将步骤S1中得到的混合溶液转移至模具中，得到C3H6N6‑
H3BO3超分子水凝胶，将其冷冻干燥后得到C3H6N6‑
H3BO3超分子气凝胶备用；S3、将步骤S2中得到的C3H6N6‑
H3BO3超分子气凝胶加热，置于Ar和NH3的混合气氛中，得到BN气凝胶；S4、将细菌纤维素分散液滴涂于步骤S3中得到的BN气凝胶表面，经冷冻干燥后得到氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜。2.根据权利要求1所述的一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述加热温度为70～100℃。3.根据权利要求1所述的一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述H3BO3和C3H6N6的质量比为0.25～4。4.根据权利要求1所述的一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述水和叔丁醇的体积比为0.1～10。5.根据权利要求1所述的一种氮化硼/细菌纤维素复合气凝胶阻燃隔膜的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，杨云龙，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：