CN106317466A - 纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法 - Google Patents

纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，该方法包括以下步骤：a）制备纳米纤维素；b)制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜。本发明的优点：（1）有利于包装废弃物的有效利用；（2）光学透明度，波长在600nm处的透光率达到80%；（3）热膨胀系数低，热稳定性高。

Description

纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，属于锂电池领域。
背景技术
生物质纤维素是自然界储量极其丰富的一种多糖类生物材料，广泛存在于木材、棉花、麻及农作物秸秆等绿色生物质材料中，与其他种类纤维素相比具有低成本、低密度、高比强度、高比强模量、生物相容性好、可降解、可再生、可循环利用等特点。
电池用纤维素基材料：Azizi Samir等人（Macromolecules 37,4839–4844(2004)）已经研究了增强聚合物电解质薄膜应用于锂离子电池的可能性,Nystrom等人（Nano Lett.9,3635–3639 (2009)）制备了纳米结构的高表面积储能电极材料,制备它的方法是在从藻类中提取的纤维素纤维上单独涂敷一层薄薄的聚吡咯,这种复合材料的高比表面积和良好的电子传导性，使它适合用在电化学控制离子交换。这些研究开辟了生产环保，高效，向上可扩张性和轻便的储能系统的新的可能性。
纳米二氧化硅无毒，具有生物相容性，良好的化学稳定性以及机械稳定性，此外还具有亲水性和多孔特性。纳米二氧化硅结构中存在大量不饱和残键和不同状态的羟基，分子结构呈三维硅石结构，这种结构可以与某些基团发生相互作用，从而大大提高材料的稳定性；由于其表面配位不足，表现出极强的活性,将纳米二氧化硅分散到材料中，可以提高材料的力学强度、耐化学性和抗老化性。
目前市场上常见的锂电池隔膜多为塑料、玻璃等材料，这些材料尺寸稳定性不好，而且会产生环境问题。
制备的纳米纤维素/纳米SiO2复合隔膜具有良好的力学和热学性能，有望替代传统PE、PP等塑料成为锂离子电池隔膜。
发明内容
本发明提出的是一种纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，其目的旨在制备一种具有良好的力学和热学性能的锂离子电池隔膜。
本发明的技术解决方案：纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，包括以下工艺步骤：
a）制备纳米纤维素；
b)制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜。
本发明的优点：
（1）有利于包装废弃物的有效利用；
（2）光学透明度，波长在600nm处的透光率达到80%；
（3）热膨胀系数低，热稳定性高。
具体实施方式
纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，该方法包括以下步骤：
a）制备纳米纤维素；
b）制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜。
所述的步骤a）制备纳米纤维素，由以下工艺步骤组成：
（1）取废弃包装纸用去离子水浸泡一小时，废弃包装纸与去离子水的质量比为1:50；
（2）用搅拌机打碎并过滤，加入质量分数为1％的NaOH溶液，在水浴锅中90℃下浸泡2h，用去离子水洗涤成中性；
（3）加入亚氯酸钠和冰乙酸，在75℃下浸泡三次，每次一小时；
（4）用浓度为36％的盐酸溶液在80℃下浸泡2h，用去离子水洗涤直至中性；（5）用研磨机研磨15次，转速为1500rpm，将研磨后的纤维素溶液用去离子水稀释，超声制得纳米纤维素悬浮液；
所述废弃包装纸、NaOH溶液、亚氯酸钠、冰乙酸、盐酸溶液的质量比为：
1：1：（0.4-0.5）：（0.36:0.45）：（1-3）。
所述的步骤b）制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜：
在纳米纤维素悬浮液中加入纳米二氧化硅，经超声混合均匀，真空抽滤制备出纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜，放干燥箱干燥4-8小时；所述纳米二氧化硅和纳米纤维素的质量比为1：（1-5）。
通过酸碱化学处理方法脱去废弃包装纸的木质素和半纤维素，然后利用研磨以及高强度超声处理制备出纳米纤维素，所制得纳米纤维素的直径在30-100 nm之间，具有高长径比；经真空抽滤可制备具有独特三维网状结构的纳米纤维素膜，不仅具有较高的力学强度，而且具有较高的光学透明度，波长在600nm处的透光率达到80%。
采用溶液混合法将纳米纤维素水溶液与纳米二氧化硅混合，经过高强度超声处理制备纳米纤维素/纳米二氧化硅复合材料，SEM测试结果显示纳米纤维素网状结构与颗粒状的纳米二氧化硅紧密结合，纳米纤维素起到连接作用，拉伸强度达77.42MPa，添加纳米二氧化硅后，其拉伸提高至86MPa；经测试，纳米纤维素纯膜的CTE为19.3ppm/k，添加纳米SiO2后，复合隔膜的CTE降至14.2 ppm/k，下降了26.4 %，在纳米纤维素中加入纳米SiO2，可以降低纳米纤维素的热膨胀系数，提高热稳定性。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，该方法包括以下步骤：
a）制备纳米纤维素；
b)制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜。
所述的步骤a）制备纳米纤维素，由以下工艺步骤组成：
（1）取10g废弃包装纸用500ml去离子水浸泡一小时；
（2）用搅拌机打碎并过滤，加入质量分数为1％的NaOH溶液10g，在水浴锅中90℃下浸泡2h，用去离子水洗涤成中性；
（3）加入亚氯酸钠4.5g和4ml冰乙酸，在75℃下浸泡三次，每次一小时；
（4）用15ml浓度为36％的盐酸溶液在80℃下浸泡2h，用去离子水洗涤直至中性；
（5）用研磨机研磨15次，转速为1500rpm，将研磨后的纤维素溶液用去离子水稀释，超声制得纳米纤维素悬浮液；
（6）将一定量的纳米二氧化硅加入上述纳米纤维素悬浮液中，通过超声使之分散均匀，再经过真空抽滤，制备得到纳米纤维素/纳米二氧化硅复合隔膜，放入干燥箱干燥4-8小时；上述复合隔膜中纳米二氧化硅与纳米纤维素的质量比为1：5。
实施例2
纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，该方法包括以下步骤：
a）制备纳米纤维素；
b)制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜。
所述的步骤a）制备纳米纤维素，由以下工艺步骤组成：
（1）取10g废弃包装纸用500ml去离子水浸泡一小时；
（2）用搅拌机打碎并过滤，加入质量分数为1％的NaOH溶液10g，在水浴锅中90℃下浸泡2h，用去离子水洗涤成中性；
（3）加入亚氯酸钠4.5g和4ml冰乙酸，在75℃下浸泡三次，每次一小时；
（4）用15ml浓度为36％的盐酸溶液在80℃下浸泡2h，用去离子水洗涤直至中性；
（5）用研磨机研磨15次，转速为1500rpm，将研磨后的纤维素溶液用去离子水稀释，超声制得纳米纤维素悬浮液；
（6）将一定量的纳米二氧化硅加入上述纳米纤维素悬浮液中，通过超声使之分散均匀，再经过真空抽滤，制备得到纳米纤维素/纳米二氧化硅复合隔膜，放入干燥箱干燥4-8小时；上述复合隔膜中纳米二氧化硅与纳米纤维素的质量比为1：1。

Claims (3)

1.纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，其特征是该方法包括以下步骤：
a）制备纳米纤维素；
b)制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜。
2. 根据权利要求 1 所述的纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，其特征是所述的步骤a）制备纳米纤维素，由以下工艺步骤组成：
（1）取废弃包装纸用去离子水浸泡一小时，废弃包装纸与去离子水的质量比为1:50；
（2）用搅拌机打碎并过滤，加入质量分数为1％的NaOH溶液，在水浴锅中90℃浸泡2h，用去离子水洗涤成中性；
（3）加入亚氯酸钠和冰乙酸，在温度75℃下浸泡三次，每次一小时；
（4）用浓度为36％的盐酸溶液, 在温度80℃下浸泡2h，用去离子水洗涤直至中性；
（5）用研磨机研磨15次，转速为1500rpm，约30min，将研磨后的纤维素溶液用去离子水稀释，超声制得纳米纤维素悬浮液；
所用的废弃包装纸、NaOH溶液、亚氯酸钠、冰乙酸、盐酸溶液间的质量比为：
1：1：（0.4-0.5）：（0.36:0.45）：（1-3）。
3. 根据权利要求 1 所述的纳米纤维素和纳米二氧化硅复合制备锂电池隔膜的方法，其特征是所述的步骤b) 制备纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜:
在纳米纤维素悬浮液中加入纳米二氧化硅，经超声混合均匀，真空抽滤制备出纳米纤维素和纳米二氧化硅复合隔膜，放干燥箱干燥4-8小时；所述纳米二氧化硅和纳米纤维素的质量比为1：（1-5）。
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