[發明專利]一種用于鋰硫電池的隔層

在審

• 申請號: 201511008719.0
• 申請日: 2015-12-31
• 公開（公告）號: CN106935773A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 程興;王安邦;王維坤;苑克國;金朝慶;楊裕生
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍63971部隊
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16
• 代理公司: 中國人民解放軍防化研究院專利服務中心11046
• 代理人: 劉永盛

技術領域

本發明涉及一種用于鋰硫電池的隔層，屬于化學電源領域。

背景技術

隨著科技的不斷發展，便攜式設備及動力電源對電池的性能要求越來越高，開發一種小型的，輕量化的高能量密度電池迫在眉睫。鋰硫電池因其活性物質單質硫具有高比容量(1675mAh/g)和高比能量(2600Wh/kg)，并且單質硫資源豐富、成本低廉、環境友好、安全可靠等優點，擁有廣闊的研究和應用背景。然而，鋰硫電池活性物質導電性差，充放電過程中間產物多硫化物易在電解液中溶解、擴散，與正極硫及負極金屬鋰發生副反應，產生穿梭效應，降低了鋰硫電池的循環效率及導致活性物質的損失，最終導致電池循環性能的快速衰減。

為了解決鋰硫電池在循環過程中中間產物多硫化物的溶解擴散，抑制“穿梭”，科研人員采取了眾多有效的方法。正極材料方面，采用了硫/碳復合，硫/聚合物復合等方式對硫正極進行改性，通過改善導電性并對硫單質的固化作用一定程度上提升了鋰硫電池的循環性能，例如：Nazar等通過硫與介孔碳的復合，利用介孔孔道限制多硫化物的遷移，有效提升了鋰硫電池的循環性能(Jix，Lee KT，Nazar LF.Nat Mater.2009；8(6)：500-6.)；隔膜方面，通過在正極方向涂覆一層導電碳，并摻入一定比例的粘合劑對其加固形成保護層，阻擋多硫化物，并與鋁箔形成“雙層集流體”，有效降低電池內阻，從而提升電池的倍率與循環性能，除此，對隔膜進行聚合物修飾及離子選擇性隔膜的應用也對鋰硫電池的性能提升有所幫助。例：Cui等人(Energy Environ.Sci.，2014，7，3381)在隔膜上分別涂覆了super P、ketjen black、MCNT，并摻入少量的PVDF形成涂層，三者均對電池的循環性能有所提升，其中尤以ketjen black涂層效果最為顯著。中國專利CN 104393349A公開了一種鋰硫電池保護層，在隔膜上涂覆接枝各種官能團的改性石墨烯與粘合劑的混合物，從物理阻擋及化學吸附排斥作用來抑制多硫化鋰的溶解擴散，并利用石墨烯的高導電性降低了電池內阻，從而提升電池循環與倍率性能；負極方面，通過對金屬鋰片進行修飾保護或者在電解液中加入添加劑促進負極形成穩定的SEI保護膜來抑制金屬鋰的枝晶粉化，從而提升電池安全與循環性能，例如Jing等人(J.Mater.Chem.A，2015，3，12213-12219)利用Al₂O₃涂層保護金屬鋰片來改善鋰硫電池性能，他們將Al₂O₃、粘結劑PVDF混合成漿料，再涂覆在金屬鋰片上，達到抑制枝晶，保護負極的作用。

以上文獻與專利所述策略有效地提高了正極單質硫的導電性及反應活性，提升了單質硫的利用率，并通過對負極保護提升了電池的循環與安全性能，但未能從根本上解決多硫化鋰溶解穿梭及金屬鋰枝晶粉化的問題，鋰硫電池的性能仍有待提高。

發明內容

本發明的目的是解決現有鋰硫電池的問題，提供一種用于鋰硫電池的隔層及其制備方法。該隔層直接涂覆在正極或負極表面，或涂布在隔膜上形成保護層，或像碳紙一樣獨立成片狀固體貼在隔膜與正負極之間對電池加以保護。功能性隔層由三種成分組成，分別為功能劑、粘合劑、導電劑，其中功能劑為含磺酸鋰基團的碳材料、聚合物或者兩者的混合物以及它們與金屬氧化物按不同比例搭配所形成的物質。由于隔層組分含有磺酸鋰，在電池循環過程中，提升了電解液中鋰離子的濃度，提高離子傳質速率，并且磺酸根的存在不但能夠增強離子電導率，而且配合粘合劑的使用對多硫化鋰有著明顯的化學阻擋吸附作用，有效抑制了它的溶解擴散，緩解鋰負極表面因不溶性多硫化鋰沉積形成的表面鈍化，同時，導電劑的加入能夠降低電池內阻，有效提升了鋰硫電池的循環與倍率性能。

本發明采用的技術方案：用于鋰硫電池中的隔層由三種成分組成，分別為功能劑、粘合劑、導電劑，隔層功能劑是含鋰化磺酸基的碳材料、含鋰化磺酸基的聚合物以及它們與氧化物混合所形成的組合物，隔層涂覆在正負極或隔膜表面或以獨立片狀固體的形式貼在正極或負極與隔膜之間對電池加以保護，隔層制備方法步驟如下：

稱取質量比為1∶0.01～1∶0.01～1的功能劑、粘合劑、導電劑放入反應瓶中，按固液比1∶2～5加入分散劑調漿，攪拌后形成分散均勻的漿料，然后將漿料涂布于隔膜、正負極上就形成厚度為100nm～100μm的隔層，對于成膜性較好的漿料涂覆于玻璃板上，晾干后取下直接貼在正極或負極與隔膜之間形成保護；