本申請涉及一種用于水系鋅離子電池的膜及其制備方法和應用，屬于電化學領域。

背景技術：

1、21世紀全球工具使用的高效率和便利性離不開電子產品，但大多數電子產品仍然依賴于使用化石能源等非可再生資源，這引發了人們對新型可再生能源的需求。鋰離子電池是目前主要應用于便攜式移動電子設備、電動汽車等領域的電池，但其存在鋰資源稀缺、使用有毒且易燃的有機電解液等問題，對其未來應用的可持續性應用產生了影響。

2、相較之下，以金屬鋅為負極水系鋅離子電池作為一種潛在的鋰離子電池替代品，具有許多優點，如高放電容量、循環性能良好、可快速充放電、成本低、環保、安全性高等。此外，水系鋅離子電池的主要原材料鋅具有豐富的儲量，且易于回收。然而，鋅離子電池在充放電過程中會產生樹枝狀沉積物，最終形成鋅枝晶，這是鋅離子電池面臨的巨大挑戰之一。這種問題嚴重影響了鋅離子電池的循環壽命和安全性。因此，解決鋅枝晶的生長問題，需要研究人員從改進和優化電解液組成、優化電極結構和材料以及制備出性能更加優異的隔膜等方面入手。

3、隔膜是鋅離子電池中的重要組成部分，其作用是阻止電池的正負極之間的直接接觸，從而避免電池熱爆炸的發生。隔膜的各項參數對整個電池的性能具有重要影響，如機械強度、孔隙率、孔徑、表面粗糙度、絕緣性、厚度、離子電導率和電解液潤濕性等參數都是影響電池性能的關鍵因素。此外，隔膜在電池中起到電子絕緣和提供離子遷移微孔通道的作用，其對電池的倍率性能、循環壽命和基本電化學性能也起著至關重要的作用。

4、在水系鋅離子電池中，合格的隔膜必須具備良好的親水性、較高的孔隙率、均勻的孔徑分布、較好的機械性能、較高的離子電導率和鋅離子遷移數等優點。目前常用的隔膜材料是玻璃纖維和濾紙，但它們都存在一些問題。玻璃纖維的孔徑較大，容易被負極生長的鋅枝晶刺穿，導致電池短路，而濾紙則具有不規則的孔結構，導致電解質潤濕程度不同，使鋅枝晶易于堆積成長。這些問題都會使得鋅離子電池性能降低。

5、因此，對隔膜的結構和性能進行設計和調控，有望解決鋅離子電池中產生鋅枝晶的問題。合適的隔膜材料應具有適當的孔隙率和孔徑分布，以及較好的機械性能和離子電導率。這樣，可以在不使用額外鋅鹽的情況下，有效阻隔正負極之間的接觸，提高整個電池體系的鋅離子遷移數和電化學性能，為鋅離子電池的應用提供更好的選擇。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種鋅離子電池用多層級隔膜及其制備方法和應用，以解決鋅離子電池中離子傳輸不均勻、隔膜機械性能差、使用壽命短等問題。

2、根據本申請的一個方面，提供了一種膜，所述膜包括支撐層和功能層；

3、所述支撐層的材料為纖維素納米纖維；

4、所述功能層的材料為改性纖維素納米纖維；

5、所述改性纖維素納米纖維的表面帶有陽離子基團和/或陰離子基團。

6、所述陽離子基團選自季銨化陽離子；

7、所述陰離子基團選自-cooh、-coona、-so3h、-so3na中的至少一種。

8、根據本申請的一個方面，提供一種上述的膜的制備方法，包括以下步驟：

9、(1)將含有纖維素納米纖維的溶劑溶液，通過成膜方法，制備得到所述支撐層；

10、(2)將含有改性纖維素納米纖維的溶劑溶液，通過成膜方法，在所述支撐層表面得到所述功能層，得到所述膜；

11、所述成膜方法選自真空抽濾、相轉化、壓延法、流延法中的一種。

12、所述含有纖維素納米纖維的溶劑溶液中的纖維素納米纖維的質量含量為10-1000mg/ml；

13、所述含有改性纖維素納米纖維的溶劑溶液中的改性纖維素納米纖維的質量含量為1-1000mg/ml。

14、所述含有纖維素納米纖維的溶劑溶液中的纖維素納米纖維與所述含有改性纖維素納米纖維的溶劑溶液中的改性纖維素納米纖維的質量比為10～1：1。

15、所述含有纖維素納米纖維的溶劑溶液中的纖維素納米纖維經過研磨處理；

16、所述含有纖維素納米纖維的溶劑溶液中的纖維素納米纖維的長度為5～20μm，直徑為10～50nm。

17、所述溶劑選自水、乙醇、異丙醇、丙酮、n,n-二甲基乙酰胺中的至少一種。

18、具體地，包括

19、(1)將機械研磨法制備的纖維素納米纖維，通過超聲細胞破碎儀使得纖維素納米纖維均勻地分散在200ml去離子水中；通過制膜方法制備單層中性維素納米纖維支撐層；超聲破碎時間為10-60分鐘。

20、(2)將功能化纖維素納米纖維分散于200ml溶劑中，通過超聲細胞破碎儀使得纖維素納米纖維均勻地分散在200ml去離子水中

21、(3)將步驟(2)中分散液在上述步驟(1)中形成的中性維素納米纖維支撐層上形成第二層功能層，獲得多層級隔膜。

22、根據本申請的一個方面，提供一種上述的膜的應用，其特征在于，

23、用于水系鋅離子電池。

24、本發明的有益效果：

25、本發明采用真空抽濾與相轉化、壓延法、流延法等方法結合的方法，制備多層級鋅離子電池隔膜，該方法制備的隔膜能夠平衡電解液中的陰陽離子，使鋅離子傳導率大大提升，其富含改性官能團的性質能夠顯著抑制由于鋅離子濃度不均導致的鋅負極枝晶生長。用本發明所述隔膜所組裝的水系鋅離子電池具有很高的鋅離子遷移數，可以有效抑制鋅枝晶的生長，提高電池的電化學穩定性和循環壽命。本發明的制備方法簡單多樣，對設備需求程度低，對環境友好，有望應用于規模化、低成本的生產。

技術特征：

1.一種膜，其特征在于，

2.根據權利要求1所述的膜，其特征在于，

3.一種權利要求1或2任一項所述的膜的制備方法，其特征在于，

4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，

5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，

6.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，

7.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于，

8.一種權利要求1或2任一項所述的膜的應用，其特征在于，

技術總結
本申請公開了一種用于水系鋅離子電池的膜及其制備方法和應用。所述膜包括支撐層和功能層；支撐層的材料為纖維素納米纖維；功能層的材料為改性纖維素納米纖維，表面帶有陽離子基團和/或陰離子基團。本發明采用真空抽濾與相轉化、壓延法、流延法等方法結合的方法，制備隔膜，能夠平衡電解液中的陰陽離子，使鋅離子傳導率大大提升，其富含改性官能團的性質能夠顯著抑制由于鋅離子濃度不均導致的鋅負極枝晶生長。用本發明所述隔膜所組裝的水系鋅離子電池具有很高的鋅離子遷移數，可以有效抑制鋅枝晶的生長，提高電池的電化學穩定性和循環壽命。本發明的制備方法簡單多樣，對設備需求程度低，對環境友好，有望應用于規模化、低成本的生產。

技術研發人員：陳忠偉,竇浩楨,李建徽,張永光,徐咪
受保護的技術使用者：中國科學院大連化學物理研究所
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28