納米纖維素和納米二氧化矽複合製備鋰電池隔膜的方法與流程
2024-03-28 20:58:05 1
本發明涉及一種納米纖維素和納米二氧化矽複合製備鋰電池隔膜的方法，屬於鋰電池領域。
背景技術：
生物質纖維素是自然界儲量極其豐富的一種多糖類生物材料，廣泛存在於木材、棉花、麻及農作物秸稈等綠色生物質材料中，與其他種類纖維素相比具有低成本、低密度、高比強度、高比強模量、生物相容性好、可降解、可再生、可循環利用等特點。
電池用纖維素基材料：Azizi Samir等人（Macromolecules 37,4839–4844(2004)）已經研究了增強聚合物電解質薄膜應用於鋰離子電池的可能性,Nystrom等人（Nano Lett. 9,3635–3639 (2009)）製備了納米結構的高表面積儲能電極材料,製備它的方法是在從藻類中提取的纖維素纖維上單獨塗敷一層薄薄的聚吡咯,這種複合材料的高比表面積和良好的電子傳導性，使它適合用在電化學控制離子交換。這些研究開闢了生產環保，高效，向上可擴張性和輕便的儲能系統的新的可能性。
納米二氧化矽無毒，具有生物相容性，良好的化學穩定性以及機械穩定性，此外還具有親水性和多孔特性。納米二氧化矽結構中存在大量不飽和殘鍵和不同狀態的羥基，分子結構呈三維矽石結構，這種結構可以與某些基團發生相互作用，從而大大提高材料的穩定性；由於其表面配位不足，表現出極強的活性,將納米二氧化矽分散到材料中，可以提高材料的力學強度、耐化學性和抗老化性。
目前市場上常見的鋰電池隔膜多為塑料、玻璃等材料，這些材料尺寸穩定性不好，而且會產生環境問題。
製備的納米纖維素/納米SiO2複合隔膜具有良好的力學和熱學性能，有望替代傳統PE、PP等塑料成為鋰離子電池隔膜。
技術實現要素：
本發明提出的是一種納米纖維素和納米二氧化矽複合製備鋰電池隔膜的方法，其目的旨在製備一種具有良好的力學和熱學性能的鋰離子電池隔膜。
本發明的技術解決方案：納米纖維素和納米二氧化矽複合製備鋰電池隔膜的方法，包括以下工藝步驟：
a）製備納米纖維素；
b)製備納米纖維素和納米二氧化矽複合隔膜。
本發明的優點：
（1）有利於包裝廢棄物的有效利用；
（2）光學透明度，波長在600nm處的透光率達到80%；
（3）熱膨脹係數低，熱穩定性高。
具體實施方式
納米纖維素和納米二氧化矽複合製備鋰電池隔膜的方法，該方法包括以下步驟：
a）製備納米纖維素；
b）製備納米纖維素和納米二氧化矽複合隔膜。
所述的步驟a）製備納米纖維素，由以下工藝步驟組成：
（1）取廢棄包裝紙用去離子水浸泡一小時，廢棄包裝紙與去離子水的質量比為1:50；
（2）用攪拌機打碎並過濾，加入質量分數為1％的NaOH溶液，在水浴鍋中90℃下浸泡2h，用去離子水洗滌成中性；
（3）加入亞氯酸鈉和冰乙酸，在75℃下浸泡三次，每次一小時；
（4）用濃度為36％的鹽酸溶液在80℃下浸泡2h，用去離子水洗滌直至中性；（5）用研磨機研磨15次，轉速為1500rpm，將研磨後的纖維素溶液用去離子水稀釋，超聲製得納米纖維素懸浮液；
所述廢棄包裝紙、NaOH溶液、亞氯酸鈉、冰乙酸、鹽酸溶液的質量比為：
1：1：（0.4-0.5）：（0.36:0.45）：（1-3）。
所述的步驟b）製備納米纖維素和納米二氧化矽複合隔膜：
在納米纖維素懸浮液中加入納米二氧化矽，經超聲混合均勻，真空抽濾製備出納米纖維素和納米二氧化矽複合隔膜，放乾燥箱乾燥4-8小時；所述納米二氧化矽和納米纖維素的質量比為1：（1-5）。
通過酸鹼化學處理方法脫去廢棄包裝紙的木質素和半纖維素，然後利用研磨以及高強度超聲處理製備出納米纖維素，所製得納米纖維素的直徑在30-100 nm之間，具有高長徑比；經真空抽濾可製備具有獨特三維網狀結構的納米纖維素膜，不僅具有較高的力學強度，而且具有較高的光學透明度，波長在600nm處的透光率達到80%。
採用溶液混合法將納米纖維素水溶液與納米二氧化矽混合，經過高強度超聲處理製備納米纖維素/納米二氧化矽複合材料，SEM測試結果顯示納米纖維素網狀結構與顆粒狀的納米二氧化矽緊密結合，納米纖維素起到連接作用，拉伸強度達77.42MPa，添加納米二氧化矽後，其拉伸提高至86MPa；經測試，納米纖維素純膜的CTE為19.3ppm/k，添加納米SiO2後，複合隔膜的CTE降至14.2 ppm/k，下降了26.4 %，在納米纖維素中加入納米SiO2，可以降低納米纖維素的熱膨脹係數，提高熱穩定性。
下面結合實施例對本發明作進一步說明。
實施例1
納米纖維素和納米二氧化矽複合製備鋰電池隔膜的方法，該方法包括以下步驟：
a）製備納米纖維素；
b)製備納米纖維素和納米二氧化矽複合隔膜。
所述的步驟a）製備納米纖維素，由以下工藝步驟組成：
（1）取10g廢棄包裝紙用500ml去離子水浸泡一小時；
（2）用攪拌機打碎並過濾，加入質量分數為1％的NaOH溶液10g，在水浴鍋中90℃下浸泡2h，用去離子水洗滌成中性；
（3）加入亞氯酸鈉4.5g和4ml冰乙酸，在75℃下浸泡三次，每次一小時；
（4）用15ml濃度為36％的鹽酸溶液在80℃下浸泡2h，用去離子水洗滌直至中性；
（5）用研磨機研磨15次，轉速為1500rpm，將研磨後的纖維素溶液用去離子水稀釋，超聲製得納米纖維素懸浮液；
（6）將一定量的納米二氧化矽加入上述納米纖維素懸浮液中，通過超聲使之分散均勻，再經過真空抽濾，製備得到納米纖維素/納米二氧化矽複合隔膜，放入乾燥箱乾燥4-8小時；上述複合隔膜中納米二氧化矽與納米纖維素的質量比為1：5。
實施例2
納米纖維素和納米二氧化矽複合製備鋰電池隔膜的方法，該方法包括以下步驟：
a）製備納米纖維素；
b)製備納米纖維素和納米二氧化矽複合隔膜。
所述的步驟a）製備納米纖維素，由以下工藝步驟組成：
（1）取10g廢棄包裝紙用500ml去離子水浸泡一小時；
（2）用攪拌機打碎並過濾，加入質量分數為1％的NaOH溶液10g，在水浴鍋中90℃下浸泡2h，用去離子水洗滌成中性；
（3）加入亞氯酸鈉4.5g和4ml冰乙酸，在75℃下浸泡三次，每次一小時；
（4）用15ml濃度為36％的鹽酸溶液在80℃下浸泡2h，用去離子水洗滌直至中性；
（5）用研磨機研磨15次，轉速為1500rpm，將研磨後的纖維素溶液用去離子水稀釋，超聲製得納米纖維素懸浮液；
（6）將一定量的納米二氧化矽加入上述納米纖維素懸浮液中，通過超聲使之分散均勻，再經過真空抽濾，製備得到納米纖維素/納米二氧化矽複合隔膜，放入乾燥箱乾燥4-8小時；上述複合隔膜中納米二氧化矽與納米纖維素的質量比為1：1。