[发明专利]一种亲水性隔膜及含有该亲水性隔膜的电池

说明书

本发明公开了亲水性隔膜及含有该亲水性隔膜的电池，所述亲水性隔膜为含亲水性高分子材料的微孔膜；所述亲水性隔膜的孔径为0.1‑5um，厚度为20‑500um，孔隙率为30％‑90％。本发明的有益效果为：本发明所述亲水性隔膜在水性电解液中的浸润性明显优于商业的PP、PE微孔膜以及亲水性处理的聚烯烃隔膜，吸收水性电解液的能力更强，隔膜的电导率更高；本发明所述亲水性隔膜具有均匀的微孔结构，其阻隔能力高于无纺布、纤维纸和玻璃纤维膜，可以降低电池发生内部短路的风险；由本发明所述的亲水性隔膜与电解液共同作用诱导锌枝晶规则生长，提高金属锌电极的循环寿命；优化Zn溶解/沉积的极化过电势，提高锌电极的电化学性能。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种亲水性隔膜及含有该亲水性隔膜的电池。

背景技术

能源和环境问题已成为关系全世界可持续发展的关键问题，开发新型绿色可再生能源以及可充放储能器件已经成为人类的迫切任务。近年来，锂离子电池具有能量密度较高、循环寿命长、无记忆效应等优点，在便携式电子产品、车用动力电池、大规模储能、通讯基站等领域应用广泛。但锂离子电池较高的成本、有限的锂储量、安全性差、环境污染问题使得其在特定的应用场景受到一定的限制。另外一种市场上主流的铅酸电池，其能量密度只有25-45Wh/kg，使用的浓硫酸电解液具有很强的腐蚀性，漏液会产生较大的安全问题。此外，铅酸电池电极材料为铅和二氧化铅，其大量使用带来的重金属污染对人类健康和环境造成巨大的危害，例如“血铅”事件，重金属铅对土壤、水源等的污染。传统的镍镉电池含有大量有害的重金属元素,大规模应用会在生产和废弃阶段造成严重的环境污染，而且对环境温度要求严格，仅适用室内运行环境。镍氢电池存在成本高昂、负极合金原材料稀缺的问题，不适合大规模使用。传统的一次锌锰电池不可充放电，使用后存在回收处理等问题，造成了很大的资源浪费和环境污染。而传统的碱性可充电锌/二氧化锰电池又存在循环寿命短，性能稳定性低，且不能大电流充放电等缺点。

二次水系电池是近年来发展起来的一种新型可充放电池，如水系钠离子电池、水系钾离子电池、水系锂离子电池、水系锌离子电池、水系混合离子电池等。与有机电解液体系电池相比，二次水系电池具有环境友好、安全性高的优点。同时，由于其使用中性或偏酸性的电解液，相比于传统的水系碱性、酸性电池，又具有腐蚀性低、循环寿命长等优点，有着广阔的应用前景。

然而，目前在二次水系电池中常用的隔膜多数取用自锂离子电池、铅酸电池和碱性电池，例如无纺布、玻璃纤维膜、纤维纸以及微孔膜等。无纺布、玻璃纤维膜和纤维纸的孔径大、孔隙度高，具有良好的吸液性能和低内阻特性，然而电极表面的细小颗粒容易穿透该隔膜造成内短路，特别是充放电过程中电极表面会产生金属枝晶，穿过隔膜导致电池短路，因此大孔径的无纺布、玻璃纤维膜和纤维纸无法满足大部分二次电池的使用要求。

为降低电池短路风险，商用的二次电池多数采用具有孔径小、孔分布均匀特征的微孔膜作为电池隔膜。基于聚烯烃材料PP、PE制造的微孔膜已广泛应用于锂离子电池，但是聚烯烃材料的亲水性较差，无法直接用于水系二次电池中。为了提高聚烯烃微孔膜的亲水性需对隔膜进行亲水性处理。专利CN100452485C公开了一种表面接枝聚合物单体的聚烯烃微孔膜，增强了PP微孔膜的亲水性。专利CN110676416A公开了一种碱性电池隔膜，将聚烯烃微孔膜亲水化处理后再粘接辅助吸液隔膜，以提高复合隔膜的吸液能力。但通过亲水性处理的聚烯烃微孔膜只是表面的吸液能力有所提高，聚烯烃材料本身仍存在吸液性不足的问题。

另外，采用亲水性材料制作隔膜也可以提高吸液性能。专利CN104072794B公开了一种聚芳醚/亲水性树脂复合膜，在制作过程中添加适量亲水性树脂以提高隔膜吸收碱性电解液的性能。专利CN110165308A公开了一种由强亲水性的磺化树脂组成的带负电荷的多孔离子传导膜，用于碱性电池中具有阻挡锌酸根离子迁移的功能，防止锌枝晶生长。