[發明專利]一種鋰硫電池功能化復合隔膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201710815619.1
• 申請日: 2017-09-12
• 公開（公告）號: CN107681091B
• 公開（公告）日: 2020-09-22
• 發明（設計）人: 陳人杰;曲薇;李萬隆;劉玉婷;徐思文雨
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M2/14
• 分類號: H01M2/14;H01M2/16;H01M10/052;B82Y30/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張潔;仇蕾安

本發明涉及一種鋰硫電池功能化復合隔膜及其制備方法，屬于電池材料技術領域。所述鋰硫電池功能化復合隔膜包括隔膜基體和涂覆在隔膜基體上的功能化涂層，所述功能化涂層為氮鈷摻雜的石墨化碳材料和粘結劑的混合物；所述功能化涂層的厚度為5～15μm；所述制備方法如下：將所得BMZIF材料在惰性氣體氛圍中于900～1000℃下煅燒3～5h，得到氮鈷摻雜的石墨化碳材料；將所述氮鈷摻雜的石墨化碳材料與粘結劑混合均勻，得到功能化涂層；將所述功能化涂層涂覆在隔膜基體上，干燥，得到所述的一種鋰硫電池功能化復合隔膜。所述鋰硫電池的隔膜，可降低鋰硫電池正極阻抗，有效的抑制多硫離子穿梭效應。

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池功能化復合隔膜及其制備方法，屬于電池材料技術領域。

背景技術

隨著人類對新能源體系的能量密度和環保性的要求不斷提高，鋰硫電池由于具有高達1675mAh·g^-1的理論容量和2600Wh·kg^-1的能量密度而受到了研究人員的廣泛關注。作為鋰電池的正極材料，單質硫具有最高的理論比容量。除此之外，單質硫還具有儲存量大、毒性低、價格低廉等多方面的優勢。盡管有這些優勢，但其實際工作過程中存在著諸多問題和挑戰。第一，正極材料導電性差，并且還原終產物Li₂S和Li₂S₂是電子絕緣體。第二，充放電反應過程中產生的長鏈多硫離子會溶解到電解液中，并且在正負極間往復遷移產生“多硫離子穿梭效應”，導致循環穩定性差和庫倫效率低下。第三，金屬鋰負極表面固體電解質界面膜穩定性不足，易粉化；同時存在鋰負極枝晶生長問題，影響電池安全性。

為了解決上述問題，研究者們在正極材料制備方法、電解液優化、鋰負極表面修飾等方面進行了深入研究。鋰硫電池器件的性能不僅僅取決于正極、負極活性材料的結構和性能，還取決于正負極之間的電解質體系，隔膜是正負極材料之間的典型電解質。隔膜系統是電池中的核心組件之一，其作用是防止電池正極、負極直接接觸發生電子短路；同時通過隔膜中的孔道保持正負極兩側的電解液聯通，維持正負極之間的離子通道。對隔膜進行改性的原理之一為利用多硫化物陰離子與鋰離子在動力學直徑方面的差異，通過隔膜中孔道的設計實現鋰離子的選擇性透過，從而抑制鋰硫電池中的“多硫離子穿梭效應”。日本工業技術院、南京大學周豪慎研究組提出一種以金屬有機框架材料(MOF)為基元材料的氧化石墨烯復合功能隔膜，采用Cu₃(BTC)₂型MOF(HKUST-1)作為“離子篩”(Bai Song Y，Liu Xi Z，Zhu Kai，et al.Metal–organic framework-based separator for lithium–sulfurbatteries[J].Nature Energy，2016，1，16094)，但是該隔膜制備過程繁瑣，所用材料成本較高，并且需要真空環境，不利于大規模制備。

BMZIF材料是基于Zn和Co兩種金屬設計合成的一系列與ZIF-8及ZIF-67具有相同拓撲結構的雙金屬有機框架材料，并且以此為模板衍生的多孔碳材料有效地結合了ZIF-8和ZIF-67各自碳化產物的優勢，同時具備以下優點：高度有序的多孔結構(微孔/介孔)，高的比表面積，氮雜原子的均勻摻雜，CoN_x活性位和高的石墨化程度等。

發明內容

針對現有技術中存在的缺陷，本發明目的之一在于提供一種鋰硫電池功能化復合隔膜。該隔膜中氮鈷摻雜的石墨化碳材料均勻豐富的孔道結構以及其中嵌入的鈷納米顆粒和摻雜的氮元素通過協同作用可以起到較好的對多硫化物的吸附作用。另一方面，氮鈷摻雜的石墨化碳材料可以有效地起到電池正極表面“上層集流體”的作用。

本發明目的之二在于提供一種鋰硫電池功能化復合隔膜的制備方法，所述方法步驟簡單，可大批量生產。

本發明目的之三在于提供一種鋰硫電池，鋰硫電池的隔膜為本發明所述的一種鋰硫電池功能化復合隔膜，可降低正極阻抗以及抑制“多硫離子穿梭效應”。

為實現本發明的目的，提供以下技術方案。