[發明專利]鋰硫電池隔膜材料及其應用

在審

• 申請號: 201710130852.6
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN106848156A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 竇輝;徐桂銀;張校剛
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H01M2/14
• 分類號: H01M2/14;H01M2/16;H01M10/052
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 曹翠珍

技術領域

本發明涉及一種功能隔膜及其在鋰硫電池中的應用，屬于電化學電池領域。

背景技術

隨著科技與社會的不斷發展，人們對新能源的需求不斷增加，如電動汽車、智能電網等新興市場對新能源系統提出了較高的要求，特別是電動汽車領域要求動力電池能量密度達到500 Wh kg^-1以上。但是，如今商業化的鋰離子電池能量密度受到傳統正極材料(LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄等)和碳負極材料自身理論容量的限制，僅能達到150-200 Wh kg^-1。350-400 Wh kg^-1已接近鋰離子電池能量密度的極限，很難進一步提高。對于動力電池而言，除了滿足其動力性能，經濟適應性也是一項重要考量，據美國先進電池聯盟(the US Advanced Battery Consortium)分析，電池包價格要降到$150 (kW h)^-1才能商業化應用，而目前鋰離子電池包的價格在$400-600 (kW h)^-1。因此，探索開發新一代高能量密度和低成本的電池體系成為目前人們研究熱點。

鋰硫電池的理論容量高達1675 mAh g^-1，能量密度2600 Wh kg^-1，比傳統的鋰離子電池高一個數量級。此外，單質硫在自然界中儲量豐富、價格低廉并且環境友好。所以鋰硫電池高的理論能量密度和低成本，成為最具發展潛力的新一代高比能化學電池體系之一。但是，單質硫及其放電產物不導電，中間放電產物多硫化鋰易溶于有機電解液以及鋰金屬的鋰枝晶安全問題等都影響鋰硫電池的電化學性能和實際應用。

鋰硫電池主要由正極材料、電解液、隔膜以及負極材料構成。隔膜作為鋰硫電池的重要組成部分之一，其性能優劣對電池整體性能有著重要的影響，在充放電循環過程中，用于防止正負極接觸而發生短路，并且允許鋰離子進行自由遷移。

作為隔膜材料須具備一定的多孔性、彎曲性、收縮性、潤濕性和離子導電率，目前常用的鋰硫電池隔膜大都為傳統的烯烴類隔膜，主要是指聚丙烯(PP)微孔膜、聚乙烯(PE)微孔膜以及Celgard公司生產的多層復合隔膜(PP/PE兩層復合或PP/PE/PP三層復合)，聚烯烴隔膜生產成本較低、孔徑的尺寸可控，具有較好的化學和電化學穩定性以及良好的機械強度，但其厚度、強度、孔隙率難以兼顧，且其耐高溫和耐大電流充放電性能差，應用到動力鋰硫電池中存在巨大的安全隱患。同時，鋰硫電池由于充放電反應過程的復雜性及電解液的多樣性，傳統的聚烯烴隔膜不能很好地抑制鋰硫電池中間產物聚硫化物的擴散，因此，開發更高品質隔膜材料也成為改善鋰硫電池整體性能重要方向之一。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種鋰硫電池隔膜材料，采用該鋰硫電池隔膜材料制備的鋰硫電池，具有性能高、壽命長、安全性高的特點。

為了實現上述發明目的，本申請采用了以下技術方案：

鋰硫電池隔膜材料，是由催化劑、導電劑、粘結劑混漿涂覆于聚丙烯表面后干燥得到，膜的厚度是微米級的，具體而言，膜厚度是5-10微米。

所述的催化劑是金屬氧化物、金屬氮化物、金屬硫化物或者是金屬單質；具體而言是二氧化鈦、二氧化錳、氧化鈷、氮化鈦、二硫化鈦或者鉑。

所述的導電劑是乙炔黑、科琴黑或碳納米管。

導電劑與催化劑的混合物與粘結劑的質量比是9：1；催化劑與導電劑質量比是7：2。

較佳地，導電劑與催化劑均為納米級。

所述的粘結劑是聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏二氟乙烯、聚環氧乙烯或聚丙烯酸中至少一種。

本發明的隔膜能夠從物理、化學兩方面阻礙多硫離子向負極擴散，使多硫離子在其表面聚集，且隔膜表面負載的催化劑可以進一步活化利用低導電性的多硫離子，從而提高了鋰硫電池體系的實際比容量和循環穩定性。此外，功能隔膜具有緩解鋰枝晶穿刺能力，進一步提高鋰硫電池的安全性。

采用本發明的功能隔膜組裝的鋰硫電池，解決了常規鋰硫電池差的循環穩定性、正極與隔膜的界面問題、金屬鋰安全隱患等問題。此外，該新型鋰硫電池體系的原材料成本低廉，生產工藝簡便，適合大規模工業化生產。

附圖說明

圖1為對比例1所組裝常規鋰硫電池示意圖。

圖2為實施例1-11組裝本發明隔膜的鋰硫電池示意圖。

圖3為實施例1和2得到的隔膜的SEM照片。