[發明專利]一種用于鋰硫電池的功能性隔層的制備方法

有效

• 申請號: 201810889063.5
• 申請日: 2018-08-07
• 公開（公告）號: CN109065808B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發明（設計）人: 張永光;單真真
• 申請（專利權）人: 河北工業大學;河源廣工大協同創新研究院
• 主分類號: H01M50/403
• 分類號: H01M50/403;H01M50/44;H01M50/431;H01M50/451
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發明為一種應用于鋰硫電池的功能性隔層的制備方法。該方法通過將金屬鈷鹽和紡絲液混合后紡絲，將高壓電紡絲紡出的纖維經烘干﹑煅燒后制得四氧化三鈷納米纖維，再經過裁剪得到功能性隔層。本發明可以改善現有技術存在的鋰硫電池中多硫化物穿梭效應，正極材料中的活性物質利用率低，導致鋰硫電池性能不佳的缺陷。

技術領域

本發明屬于電池隔層制備技術領域，更具體地，涉及一種應用于鋰硫電池中的功能性隔層的制備方法。

背景技術

鋰-硫電池因其具有高的理論比容量(1675mAh g^-1)及理論能量密度(2600Wh kg^-1)，以及容量高、成本低等優點，最有希望成為繼鋰離子電池后的下一代電池，成為最具發展潛力的新型高能化學電源體系之一。然而，鋰硫電池的局限性包括多硫化鋰長期循環過程中的飛梭效應、硫的使用效率低以及嚴重的體積膨脹(80％)。另外，多硫化鋰中間產物的擴散及氧化還原反應會導致嚴重的自放電現象和低庫倫效率，導致電池反應的可逆性差。除了硫正極和鋰負極的飛速發展，改性隔層材料的研究也被廣泛關注。普通的隔膜在鋰硫電池中起到隔絕正負極、避免發生短路并且實現離子的穿梭和電解液的浸潤的作用。改性隔層材料除了起到普通隔膜的上述作用以外，還能夠通過物理受限或化學吸附可溶的多硫化物，改善電池的長循環穩定性。

例如：Singhal等制備了二氧化碳活化的聚丙烯腈(PAN)納米纖維紙和碳化的PAN－Nafion納米纖維紙作為鋰硫電池的隔層。這種碳纖維紙隔層不僅可以降低電化學電阻，而且還能限制多硫的擴散，該碳纖維隔層的電池首次放電容量為1549mAh/g。Yang等采用高電導率的三維碳纖維布作為隔層放于硫正極和隔膜中間來捕獲可溶性多硫化鋰中間產物，可以明顯提高電池的容量和循環穩定性，在5C倍率下循環1000次后放電容量仍為560mAh/g。CN106450104A公開了一種應用于鋰硫電池中的隔層及其制備方法，通過所述方法將金屬氧化物附著在細菌纖維素的纖維表面進行碳化，得到一種新型的正極隔層。該隔層可用于鋰硫電池正極與隔膜之間，能夠很好地抑制多硫離子的穿梭，隔層中的金屬氧化物也可以對多硫離子進行吸附；同時金屬氧化物還對鋰硫電池的氧化還原反應有一定催化作用，對于提高鋰硫電池的循環性能起到了很重要的作用。但是上述技術存在的缺點是：制備工藝繁瑣復雜，生產成本高，生產時間較長、消耗時間較久，難以大規模生產，制備出的隔層比表面積小、難控制其微觀形貌，影響其在鋰硫電池中的廣泛應用。

發明內容

本發明的目的在于針對當前技術中存在的不足，提供了一種應用于鋰硫電池的功能性隔層的制備方法。本發明通過將金屬鈷鹽和紡絲液混合后紡絲，將高壓電紡絲紡出的纖維經烘干﹑煅燒后制得四氧化三鈷納米纖維，再經過裁剪得到功能性隔層，通過此方法改善現有技術存在的鋰硫電池中多硫化物穿梭效應，正極材料中的活性物質利用率低，導致鋰硫電池性能不佳的缺陷。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種應用于鋰硫電池的功能性隔層的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：制備靜電紡絲前驅液：將六水合硝酸鈷、乙醇和N,N-二甲基甲酰胺液體混合后攪拌5～20min，然后加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP),繼續攪拌1～2h，再使用超聲機超聲1～2h，得到靜電紡絲前驅液；

其中，每2～10ml乙醇加0.1～1g六水合硝酸鈷和2～10ml N,N-二甲基甲酰胺，0.1～3g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)；

步驟二：制備金屬鈷鹽納米纖維膜：將前驅液加入注射器中，控制工作電壓為10～20KV，調節接收器與紡絲針頭距離為5～20cm,溶液的流出速度為0.2～0.8ml/h，紡絲時間為3～5h，得到金屬鈷鹽納米纖維膜；

步驟三：制備四氧化三鈷納米纖維。紡得的金屬鈷鹽纖維膜在真空干燥箱(50～80℃)干燥8h后,在300～500℃煅燒3～5h；隨后自然降至室溫，得到四氧化三鈷納米纖維；