[發(fā)明專利]孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜

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• 申請日: 2018-05-28
• 公開（公告）號: CN108589034A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發(fā)明（設計）人: 繆月娥;朱曉波;劉天西;歐陽玥;宗偉
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: D04H1/4382
• 分類號: D04H1/4382;D04H1/728;D01D5/00;H01M2/16;B82Y40/00;D06B3/10;D06M13/144;D01F8/08;D01F8/10;D06M101/26;D06M101/28
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;王婧

本發(fā)明提供了一種孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜。所述的孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維隔膜，其特征在于，制備方法包括：采用靜電紡絲的方法制備得到聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維；通過乙醇蒸汽處理，得到孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維。本發(fā)明制備的復合材料具有纖維形貌完整，孔徑結構分布均一等特點。聚丙烯腈能起到復合納米纖維骨架作用，聚丙烯酸則作為復合納米纖維的結構調(diào)控物質，該復合納米纖維隔膜具有環(huán)保高效、孔徑和孔隙率精確調(diào)控、物理化學性質穩(wěn)定等優(yōu)點。

技術領域

本發(fā)明屬于復合納米纖維技術領域，具體涉及一種孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜的制備及其應用。

背景技術

鋰硫(Li-S)電池具有超高的理論比容量(1672mAh g^-1)和能量密度(2600W h kg^-1)，且硫的儲量豐富、價格低廉、環(huán)境友好，已成為最具吸引力的新型電池系統(tǒng)之一。鋰硫電池中，硫的多電子反應本征特性帶來了電極材料的高容量特點，但也同時導致鋰硫電池系統(tǒng)存在更多的復雜性。硫電極在充放電過程中產(chǎn)生可溶的多硫化物，一方面導致高階多硫化物跨隔膜擴散與金屬鋰負極直接反應生成低階多硫化物帶來鋰硫電池的副反應循環(huán)，也即“穿梭效應”，降低鋰硫電池的庫倫效率；另一方面也導致含硫組分的損失，使電池性能發(fā)生快速衰減。

隔膜系統(tǒng)是電池中的核心組件之一，其作用是防止電池正負極直接接觸發(fā)生短路；同時，通過隔膜中的孔道結構保持正負極兩側的電解液聯(lián)通，維持正負極之間的離子通道。目前市場上的鋰硫電池隔膜主要是以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴類隔膜，這些隔膜的化學性質較為穩(wěn)定，但是對多硫化物的穿梭并沒有起到較好的抑制作用，因而將不可避免地產(chǎn)生容量衰減和循環(huán)穩(wěn)定性差的缺陷。

聚丙烯腈(PAN)是一種常用的制備聚合物納米纖維的原料，其具有較為穩(wěn)定的化學性質和耐腐蝕性，并且不溶解于乙醇。聚丙烯酸(PAA)能夠溶解于乙醇中，且其分子鏈中帶大量羥基，羥基會對多硫化物起到化學吸附的作用，因而能對多硫化物的穿梭起到一定的抑制作用。基于此背景，我們結合靜電紡絲和乙醇蒸汽處理的實驗方案，提出了基于聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維隔膜的孔徑和孔隙率調(diào)控策略：以聚丙烯腈作為納米纖維骨架，聚丙烯酸作為結構調(diào)控物質和多硫化物的吸附物質，來設計優(yōu)化鋰硫電池隔膜的結構，既保障電池內(nèi)部鋰離子的高效傳輸，又能對多硫化物的穿梭起到一定的抑制作用，從而提高鋰硫電池的性能和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種成本低廉、工藝簡單、電化學性能優(yōu)異的孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維隔膜及其制備方法。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜，其特征在于，其制備方法包括：采用靜電紡絲的方法制備得到靜電紡聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維膜，通過乙醇蒸汽處理，得到具有孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜。

優(yōu)選地，所述的靜電紡聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維膜中纖維直徑為0.4-0.8微米，孔隙率為80％-91％，纖維膜孔徑分布為0.4-1.9微米。

優(yōu)選地，所述的孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜的纖維直徑為0.4-1.2微米，孔隙率為20％-37％，纖維膜孔徑分布為0.2-1.4微米。

本發(fā)明還提供了一種孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜的制備方法，其特征在于，包括：

步驟1：將聚丙烯腈和聚丙烯酸溶于N，N-二甲基甲酰胺中，得到混合紡絲液；進行靜電紡絲，得到靜電紡聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維膜；

步驟2：在容器中加入乙醇并進行加熱，將所得的靜電紡聚丙烯腈/聚丙烯酸復合納米纖維膜置于所述容器的上方，用熱蒸發(fā)出來的乙醇蒸汽處理所述的復合納米纖維膜，再進行干燥，最后得到具有孔結構可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸納米纖維鋰硫電池隔膜。