[發明專利]鋰硫電池用隔膜及包含該隔膜的鋰硫電池

在審

• 申請號: 201710006393.0
• 申請日: 2017-01-05
• 公開（公告）號: CN106848161A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 李寶華;周天紅;呂偉;楊全紅;李佳;趙嚴
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M2/16
• 分類號: H01M2/16;H01M2/18;H01M10/0525
• 代理公司: 廣東德而賽律師事務所44322
• 代理人: 葉秀進

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，尤其涉及一種可提高鋰硫電池的電化學性能的鋰硫電池用隔膜及包含該隔膜的鋰硫電池。

背景技術

隨著電子信息技術的不斷發展，人類對長續航高容量電池的需求更加迫切，鋰硫電池因其具有高理論比容量（1675mAh/g）和理論比能量（2600Wh/Kg），受到很大關注。但是鋰硫電池也存在諸多問題，例如，多硫化物的“穿梭效應”會消耗活性物質，影響電池穩定性。因此只有抑制多硫化物的“穿梭效應”同時促進多硫化物的轉化來提升鋰硫電池的電化學和動力學性能，才能實現鋰硫電池的商業化。

近期，對于鋰硫電池隔膜的改性方式，多為對多硫化物進行阻擋，例如，用石墨烯作為阻擋層，其可以提高電池循環穩定性，但是石墨烯層只能起到物理阻擋的作用，而多硫化物的轉化及利用率較低，而且阻礙離子傳輸，對鋰硫電池的電化學性能的提升很有限，因此，單純的阻擋吸附無法滿足長循環及商業化的鋰硫電池。

本發明旨在提供一種鋰硫電池用隔膜及包含該隔膜的鋰硫電池，該隔膜包括隔膜基體和覆蓋層，覆蓋層包括石墨烯-硫化物異質結材料，該異質結材料結合了石墨烯的物理阻擋多硫化物作用和硫化物對多硫化物的吸附作用，從而提升鋰硫電池的電化學和動力學性能。

發明內容

本發明的目的之一在于：針對現有技術的不足，而提供一種鋰硫電池用隔膜，該隔膜包括隔膜基體和覆蓋層，覆蓋層包括石墨烯-硫化物異質結材料，該異質結材料結合了石墨烯的物理阻擋多硫化物作用和硫化物對多硫化物的吸附作用，從而提升鋰硫電池的電化學和動力學性能。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

鋰硫電池用隔膜，包括隔膜基體，還包括覆蓋層，所述覆蓋層包括石墨烯-硫化物異質結材料，硫化物原位生長于石墨烯上，異質結材料中，石墨烯與硫化物的質量比為（0.5-15）：1。硫化物的導電性不及石墨烯，因此硫化物過量則導致體系導電性減弱，過少則對于多硫化物的吸附能力不足。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，所述硫化物為二硫化鈦、二硫化釩和硫化亞鐵中的至少一種。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，所述石墨烯-硫化物異質結材料的制備方法至少包括以下步驟：

第一步，將氧化石墨烯溶解在水中形成氧化石墨烯水溶液；

第二步，將鈦源、鐵源和釩源中的至少一種分散在第一步得到的氧化石墨烯水溶液中，然后加入硫源并分散均勻，得到混合液；

第三步，將第二步得到的混合液置于100℃-300℃的環境中水熱反應5h-20h，反應完全后，冷卻、洗滌、離心，得到石墨烯上原位生長二硫化鈦、二硫化釩和硫化亞鐵中的至少一種硫化物的異質結材料。水熱法可以還原氧化石墨烯，提高體系的導電性，同時，水熱作用下可以促進正負離子的吸附。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，所述鈦源為四氯化鈦、鈦酸異丙酯和鈦酸四丁酯中的至少一種；所述鐵源為硝酸鐵、氯化亞鐵和硫酸亞鐵中的至少一種，所述釩源為偏釩酸銨、草酸氧釩和釩酸銀中的至少一種；所述硫源為硫脲、硫化鈉和硫代硫酸鈉中的至少一種。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，第一步中，氧化石墨烯與水的質量比為（30-70）：100。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，硫化物的粒徑為10nm-3μm。納米尺寸的硫化物比表面積較大，與多硫化物的接觸充分，并且可均勻分散在溶劑中。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，所述覆蓋層還包括粘接劑，并且石墨烯-硫化物異質結材料與粘接劑的質量比為（7-9）：（1-3），所述粘接劑為聚偏氟乙烯、丁苯橡膠和海藻酸鈉中的至少一種。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，所述覆蓋層的厚度為1μm-10μm。厚度較薄，離子傳輸能力較好，同時電池的體積能量密度得到提升。

作為本發明鋰硫電池用隔膜的一種改進，所述隔膜基體為聚乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚乙烯/聚丙烯復合隔膜或聚對苯二甲酸乙二酯基無紡布隔膜或聚酰亞胺隔膜。