一种用于碱金属电池的电解质膜制造技术

本公开涉及一种用于碱金属或碱金属离子电池的电解质膜，其包含：包含离子导电聚合物的复合膜；碱金属盐；以及包含氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片或其组合的填料。化氮化碳纳米片或其组合的填料。化氮化碳纳米片或其组合的填料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】一种用于碱金属电池的电解质膜
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年9月28日提交的美国临时申请号63/084,068的权益；
[0003]关于联邦资助研究的声明
[0004]无
[0005]关于联合开发协议的声明
[0006]要求保护的专利技术是由联合开发协议的以下一方或多方完成、代表和/或与以下一方或多方有关：Enpower Greentech Inc.和德克萨斯大学奥斯汀分校。上述协议是在要求保护的专利技术完成之日或之前生效，以及要求保护的专利技术作为该协议范围内所采取行动的结果而完成。
[0007]专利技术背景
1.专利

[0008]本公开总体上涉及电解质膜。更具体地，本公开涉及具有包含氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片或其组合的填料的聚合物类电解质膜。
[0009]2.相关领域的描述
[0010]为了满足智能电子、电动车辆和电网规模储能系统不断增长的市场，对高安全性和高能量密度锂金属电池的开发需求非常高。用安全的固态电解质代替目前的液态有机电解质是目前实现这一开发的最可行和最有效的策略。与陶瓷电解质相比，聚合物电解质如聚(环氧乙烷)(PEO)等已得到广泛研究。PEO电解质已表现出低界面电阻、高柔韧性和简易的可加工性。然而，PEO类聚合物电解质由于其不利的缺点仍未商业化，例如：1)室温下离子电导率低，这将消耗额外的能量以将电解质加热到50℃以上；2)抑制锂枝晶生长的能力差，尤其是在高电流密度下；3)热稳定性低，这容易引起短路热失控；以及4)电化学窗口窄，这限制了它们与高压镍锰钴(NMC)基阴极配对的使用。
[0011]因此，仍然非常需要开发在室温下具有增强性能的替代性的聚合物电解质体系。聚偏二氟乙烯(PVDF)类聚合物电解质因其在室温下解离锂盐时的高度极化而受到越来越多的关注。具体而言，具有Li
+
导电填料如Li7La3Zr2O
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(LLZO)的PVDF类电解质在室温下表现出高Li
+
电导率、良好的防火性能和宽电化学窗口。增加的离子电导率主要来自LLZO填料与PVDF/LiTFSI基质之间的界面相互作用，而不是来自锂导电LLZO本身的贡献。因此，PVDF类复合电解质中需要相当大量的LLZO(～30重量％)以提供足够的界面活性区域以与PVDF/LiTFSI(双(三氟甲磺酰)亚胺锂)基质充分相互作用，这极大地牺牲了电解质的能量密度。此外，PVDF对锂金属不稳定，并且在循环过程中在与锂金属阳极接触时逐渐降解，这严重限制了其长期循环性能。由于Li
+
导电陶瓷填料对聚合物电解质的总电导率的贡献微不足道，因此具有高表面积和与PVDF/LiTFSI基质具有强相互作用的惰性填料有望在提高电解质的离子电导率方面发挥良好作用。
[0012]专利技术概述
[0013]在本公开的第一方面，本文提供了一种用于碱金属离子电池的电解质膜，包括：包
含离子导电聚合物的基质；碱金属盐；以及包含氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片或其组合的填料。
[0014]在本说明书和权利要求书中，我们将讨论氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片及其组合。应当理解，正如本领域的技术人员所清楚的，这并不意味着单片材料，而是该材料包括多个片，如其在本专利技术中所使用的那样。因此，为方便起见，它被称为氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片及其组合，尽管它由这些材料的多个片组成。此外，本公开的优选实施方案在电解质膜中不包括任何非离子导电聚合物，优选仅离子导电聚合物用于形成根据本公开的电解质膜。
[0015]在本公开的第一方面的一个实施方案中，氮化碳是石墨相氮化碳(g
‑
C3N4)。
[0016]在本公开的第一方面的一个实施方案中，填料包括氧化氮化碳(OCN)纳米片。
[0017]在本公开的第一方面的一些实施方案中，填料包含氧化氮化碳纳米片并且以基于导电聚合物的总重量计的约0.5重量％至10重量％的量，更优选以约2重量％至5重量％的量存在。在本公开的示例性实施方案中，氧化氮化碳纳米片的量为基于导电聚合物的总重量计的约2重量％。
[0018]在本公开的第一方面的一个实施方案中，氮化碳纳米片、氧化氮化物纳米片及其组合对碱金属离子呈惰性并且具有高于100m2/g的高表面积。在本公开的一个实例中，表面积为约171m2/g。氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片及其组合是片状和多孔的。
[0019]在本公开的第一方面的一个实施方案中，氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片及其组合分散在整个基质中。在本公开的说明性实施方案中，氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片或其组合均匀地分散在整个基质中。
[0020]在本公开的第一方面的一个实施方案中，聚合物是聚偏二氟乙烯(PVDF)或聚丙烯腈(PAN)。
[0021]在本公开的第一方面的一个实施方案中，其中碱金属盐选自但不限于LiFSI(双(氟磺酰)亚胺锂)、LiTFSI(双(三氟甲磺酰)亚胺锂)、LiClO4(高氯酸锂)、NaFSI(双(氟磺酰)亚胺钠)、NaTFSI(双(三氟甲磺酰)亚胺钠)和NaClO4(高氯酸钠)。
[0022]在本公开的第一方面的一个实施方案中，碱金属盐的量以基于导电聚合物的总重量计的约50重量％
‑
80重量％存在。
[0023]在本公开的第二方面，本文提供了一种制备用于碱金属离子电池的电解质膜的方法，其包括：将包含离子导电聚合物的基质、碱金属盐和溶剂混合以获得组合物；将所述组合物与包含氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片或其组合的填料组合以获得悬浮液；将所述悬浮液成型并干燥以形成电解质膜。
[0024]在本公开的第三方面，本文提供了一种碱金属离子电池，其包括：阳极；阴极；和设置在阳极和阴极之间的根据本公开的电解质膜。
[0025]附图简述
[0026]在所附权利要求中特别阐述了本专利技术的新颖特征。通过参考下述详述将获得对本公开的特征和优点的更好理解，所述详述阐述了其中利用本公开的原理的说明性实施方案及其附图，并且在所述附图中：
[0027]图1是根据本文所述的一个说明性实施方案的PVDF/LiTFSI/OCN膜表面的扫描电子显微镜(SEM)图像，其中插图显示了膜被卷绕在玻璃管上时的优异柔韧性。
[0028]图2显示了单独的OCN纳米片材料、PVDF/LiTFSI膜、含2重量％OCN的PVDF/LiTFSI/OCN膜和单独的PVDF膜的X射线衍射(XRD)图。
[0029]图3显示了包含不同量的OCN的PVDF/LiTFSI/OCN膜的阻抗谱离子电导率。
[0030]图4显示了具有2重量％OCN的PVDF/LiTFSI/OCN膜的锂对称电芯的电流
‑
时间曲线；且然后插图显示了添加OCN填料之前和添加OCN填料之后PVDF/LiTFSI的阻抗谱。
[0031]图5显示了PVDF/LiTFSI膜和具有2重量％OCN的PVDF/LiTFSI/OCN膜本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于碱金属离子电池的电解质膜，其包含：包含离子导电聚合物的基质；碱金属盐；和包含氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片或其组合的填料。2.根据权利要求1所述的电解质膜，其中所述氮化碳包括g
‑
C3N4。3.根据权利要求1所述的电解质膜，其中所述填料包含氧化氮化碳纳米片。4.根据权利要求1所述的电解质膜，其中所述填料的量为基于所述导电聚合物的总重量计的约0.5重量％至10重量％。5.根据权利要求4所述的电解质膜，其中所述填料的量为基于所述导电聚合物的总重量计的约2重量％至5重量％。6.根据权利要求5所述的电解质膜，其中所述填料的量为基于所述导电聚合物的总重量计的约2重量％。7.根据权利要求1所述的电解质膜，其中所述氮化碳纳米片、氧化氮化碳纳米片或其组合的表面积大于100m2/g。8.根据权利要求7所述的电解质膜，其中所述氮化碳纳米片、氧化氮化物纳米片或其组合是多孔的。9.根据权利要求1所述的电解质膜，其中所述氮化碳纳米片、氧化氮化物纳米片...

【专利技术属性】
技术研发人员：许恒辉，李玉涛，车勇，J，
申请(专利权)人：得克萨斯系统大学评议会，
类型：发明
国别省市：