[发明专利]一种全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于钠离子电池固态电解质材料技术领域，具体涉及一种全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜及其制备方法和应用。该制备方法以特定比例的钙盐、铝盐和硫盐为原料，通过高温烧结制成硫铝酸钙；再将苛性碱和该硫铝酸钙通过低温水热反应制成含硫铝酸钙钠分子筛；最后将该含硫铝酸钙钠分子筛与PFSA‑Li粉末制备成钠离子固态电解质隔膜。该制备方法制得的成品能减少或避免液体电解质的使用，并显著抑制金属钠负极枝晶的产生，且具有较高的强度，能够作为钠离子二次电池隔膜直接用于组装电池，可显著增强钠离子的电导率和大电流充放电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于钠离子电池固态电解质材料技术领域，具体涉及一种全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

在诸多储能系统中，锂离子电池因能量密度高、功率密度高、放电电压高、自放电率低等众多优点，在便携式设备中得到了飞速发展。然而，锂资源是一种相对稀缺的资源，其大量使用导致锂产品价格节节攀升。钠离子电池虽然能量密度不及锂离子电池，但是由于钠资源丰富易得，在对于能量密度要求不高的领域仍具有良好的应用前景。

然而，钠离子电池多采用有机液体电解质，该电解质和电极材料在充放电过程中可对电极材料进行破坏并导致电池容量出现不可逆衰减；同时电池在长期服役过程中，有机液体电解质会出现挥发、干涸、泄漏等现象，严重影响电池寿命。另一方面，由于电极表面电流密度及钠离子分布不均匀等因素，钠离子电池在电池循环中离子的脱出和嵌入会导致电极材料副反应的发生而产生分解产物以及脱落的电极材料，其溶解、沉积可形成不均匀的孔洞和枝晶。枝晶会刺穿隔膜接触正极，造成电池短路、热失控、着火爆炸等一系列安全隐患。

发明内容

针对液体电解质与电极会发生副反应导致电池容量衰减、枝晶可造成安全隐患的问题，本发明提供一种全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜的制备方法。

以及，本发明还提供一种全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜。

以及，本发明还提供上述全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜在制备钠离子电池中的应用。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下技术方案：

一种全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜的制备方法，具体包括以下步骤：

S1、将钙盐、硫酸盐和铝盐混合，在1300～1600℃烧结，得到多孔层状硫铝酸钙；所述钙盐、硫盐和铝盐中，钙元素与铝元素的摩尔比为1:1.2～2，所述钙元素与硫元素的摩尔比为4～10:1；

S2、将所述多孔层状硫铝酸钙置于苛性碱溶液中，在110～160℃条件下反应；所述苛性碱溶液中的碱金属离子的摩尔量为所述多孔层状硫铝酸钙中钙离子摩尔量的4～10倍；

S3、将S2所得产物与聚氧化乙烯(PEO)、全氟磺酸锂(PFSA-Li)及有机溶剂制成胶液，刮涂后干燥即得。

本发明的制备方法首先在S1中以限定了钙元素、铝元素和硫元素比例的钙盐、铝盐和硫盐为原料，通过特定温度下的高温烧结，可制备得到多孔层状硫铝酸钙。

然后在S2中，S1制得的多孔层状硫铝酸钙与苛性钠中的碱金属通过特定温度的低温水热反应发生离子交换，从而在制得孔径均匀、晶型完整的含硫铝酸钙钠分子筛。该分子筛能够对电极副反应的分解产物及电极脱落物起到选择性的过滤作用，阻止其通过，能够显著抑制金属钠负极枝晶的产生。

最后，上述含硫铝酸钙钠分子筛在S3中与水溶性PFSA-Li在胶液中通过离子交换反应得到硫铝酸钙钠分子筛改性的PFSA-Na复合物粉末，通过刮涂、干燥后即可形成固态的含硫PFSA-Na复合物隔膜，即全氟磺酸钠离子电池电解质隔膜。PFSA-Li为水溶性，对生产环境要求比较宽松，低温即可成膜，因此S3的反应过程不需要高温和过长的反应时间。S2所得分子筛的骨架结构还能增强该电解质隔膜的强度。