[發(fā)明專利]一種鋰硫電池用修飾隔膜及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710277216.6
• 申請(qǐng)日: 2017-04-25
• 公開（公告）號(hào): CN107068947B
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李忠濤;蘇鑫;鄧深圳;吳明鉑;吳文婷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): H01M50/403
• 分類號(hào): H01M50/403;H01M50/411;H01M10/052
• 代理公司: 南京禹為知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32272
• 代理人: 王江南

本發(fā)明提供了一種鋰硫電池用修飾隔膜及其制備方法，采用碳化后的MIL?101系列金屬有機(jī)框架材料和粘結(jié)劑混合均勻后涂覆于隔膜表面制備而成，其中金屬陽(yáng)離子對(duì)多硫化物有很強(qiáng)的吸附作用，防止多硫化物的溶解，有限抑制穿梭效應(yīng)。碳化后的多孔骨架結(jié)構(gòu)，不僅具有良好的鋰離子傳導(dǎo)性，同時(shí)起到集流體的作用，有利于電子的快速傳導(dǎo)。將該修飾隔膜用于鋰硫電池時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。且其制備方法簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好，具有很好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及化學(xué)電源領(lǐng)域，尤其涉及鋰硫電池用修飾隔膜及其制備方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代電動(dòng)汽車的迅速崛起對(duì)電池能量密度提出了越來(lái)越高的要求，現(xiàn)在商用的鋰離子電池已達(dá)不到一些電子設(shè)備的應(yīng)用要求，而近幾年研究日臻火熱的鋰硫電池具有高能量密度，其理論能量密度達(dá)到2600Wh·kg^-1，是商用鋰電池的5倍，符合電動(dòng)汽車對(duì)電池的要求，也符合電子便攜設(shè)備對(duì)電池“輕、小、薄”的要求。

鋰硫電池是以金屬鋰作負(fù)極，單質(zhì)硫或硫基復(fù)合材料作正極構(gòu)筑的二次高密度能量電池體系。單質(zhì)硫的理論比容量可達(dá)到1675mAh·g^-1，另外單質(zhì)硫具有成本低、資源豐富、環(huán)境友好等特點(diǎn)，故其在鋰二次電池中得到廣泛應(yīng)用。

盡管鋰硫電池有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其仍面臨著許多挑戰(zhàn)和難題，如單質(zhì)硫和氧化還原產(chǎn)物硫化鋰的絕緣性，多硫離子的溶解問(wèn)題以及其“穿梭效應(yīng)”，金屬鋰負(fù)極的穩(wěn)定性問(wèn)題等。其中最為嚴(yán)峻的是，在充放電的過(guò)程中形成的多硫根陰離子易在有機(jī)電解液中溶解、擴(kuò)散，并與正極硫材料和負(fù)極鋰片發(fā)生副反應(yīng)，生成絕緣的沉淀物(Li₂S₂和Li₂S)，該過(guò)程一方面降低了鋰硫電池的庫(kù)侖率，另一方面也造成了活性物質(zhì)的損失，導(dǎo)致鋰硫電池容量迅速衰減，大大降低了活性物質(zhì)的利用率。成功抑制中間產(chǎn)物多硫化物的穿梭效應(yīng)成為制備高性能鋰硫電池的關(guān)鍵。若能利用鋰硫電池本身的電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種能夠有效阻擋多硫化物穿梭的隔膜，將大幅提高鋰硫電池的容量性能與循環(huán)性能。

為了防止多硫化物的穿梭效應(yīng)，近幾年學(xué)術(shù)界主要從幾個(gè)方面進(jìn)行研究：(1)制備多空碳材料來(lái)包覆硫形成碳硫復(fù)合材料，使單質(zhì)硫分散在多孔碳材料中以抑制多硫化物在電解液中的溶解；(2)向電解液中加入一些添加劑以優(yōu)化電解液的組成或使用新型電解液；(3)對(duì)金屬鋰負(fù)極進(jìn)行修飾和保護(hù)，組織電解液和多硫化物對(duì)鋰負(fù)極的腐蝕；(4)設(shè)計(jì)阻隔層，以此來(lái)阻隔多硫化物的溶解。

基于以上研究，本發(fā)明以鋰硫電池隔膜作為研究對(duì)象，通過(guò)在商用電池隔膜表面修飾一層碳化后的MIL-101系列金屬有機(jī)骨架材料，以提高鋰硫電池的容量性能與循環(huán)性能。其中金屬陽(yáng)離子對(duì)多硫化物有很強(qiáng)的吸附作用，防止多硫化物的溶解，有限抑制穿梭效應(yīng)。碳化后的多孔骨架結(jié)構(gòu)，不僅具有良好的鋰離子傳導(dǎo)性，同時(shí)起到集流體的作用，有利于電子的快速傳導(dǎo)。將該修飾隔膜用于鋰硫電池時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能和倍率性能。且其制備方法簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)境友好，具有很好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)鋰硫電池現(xiàn)有缺陷，本發(fā)明的目的在于為鋰硫電池提供一種能有效抑制多硫化物穿梭的鋰硫電池用修飾隔膜及其制備方法，以提高鋰硫電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性；且其制備方法簡(jiǎn)單操作、成本低，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種鋰硫電池用修飾隔膜及其制備方法，該修飾隔膜是由經(jīng)過(guò)碳化后的MIL-101系列金屬有機(jī)骨架材料和粘結(jié)劑混合均勻后涂覆在隔膜上制備而成；其制備過(guò)程為：將MIL-101系列金屬有機(jī)骨架材料煅燒，獲得碳化的活性材料；將上述碳化的活性材料與粘結(jié)劑按質(zhì)量比7:0-7:3并加入N-甲基吡咯烷酮混合均勻，獲得涂層漿料；將所述漿料均勻涂覆于隔膜表面，真空干燥后即得修飾隔膜。