[發明專利]一種鋰硫電池隔膜材料的制備方法

有效

• 申請號: 201811273226.3
• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號: CN109505035B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 張永光;張俊凡
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產業研究院
• 主分類號: D01F9/10
• 分類號: D01F9/10;H01M50/403;H01M50/44;H01M50/446
• 代理公司: 天津市尚文知識產權代理有限公司 12222
• 代理人: 楊秀偉

本發明涉及一種鋰硫電池的隔膜材料，具體的，為一種金屬有機框架材料其制備方法。所述方法包括：步驟1，制備ZIF?8納米粉體，步驟2，靜電紡絲制備ZIF8/CNT復合纖維絲，步驟3，碳化得到空心多孔的ZIF8@CNTs。將所述空心多孔ZIF8@CNTs與導電炭黑、PVDF混合在NMP溶液中，研磨、涂覆于干凈的隔膜上，烘干即得到鋰硫電池的改性隔膜。不僅提高了隔膜材料的性能，克服了現有技術制備的鋰硫電池中多硫化物“穿梭效應”明顯、鋰硫電池的體積膨脹效應顯著和電池的電化學性能不穩定等缺陷，而且簡化了生產工藝，降低了生產成本。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池隔膜材料的制備方法，更具體地涉及一種金屬有機框架材料作為隔膜材料的制備方法，屬于材料化學領域。

背景技術

隨著社會生產力的進步與發展，能源已經成為影響社會發展的關鍵因素之一。由于傳統化石燃料（煤、石油）的不可再生性，及其對環境的不友好（如溫室效應，酸雨等），使得開發可再生綠色能源體系迫在眉睫。目前，風能、太陽能、潮汐能等新型綠色能源體系已經得到廣泛應用，部分緩解了人類能源危機。而上述新型綠色能源體系的應用不可避免的涉及到能源存儲問題，即需要大容量并且更為靈活輕便的儲能方式。目前能源技術正面臨著儲能器件使用壽命低、儲能能量密度低等難題。發展長壽命、低成本、大容量的儲能器件對能源領域至關重要。

在眾多儲能技術里，鋰離子電池因其高質量比能量和體積能量密度備受關注。自1991 年索尼公司首次提出研發成功商用鋰離子電池以來，鋰離子電池已經普遍應用于便攜式電子設備上。但是鋰離子電池的理論容量還遠遠不能滿足當前市場需求，比如電動汽車用鋰離子電池亟待滿足其長距離行駛的需求。突破商用鋰離子電池的容量極限是當前面臨的一大技術難題。鋰硫電池是鋰電池的一種，它以硫元素作為電池的正極，金屬鋰作為負極，放電時負極反應為鋰失去電子變為鋰離子，正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物。鋰硫電池具有優異的高比能量，單質硫的理論比容量可達 1675 mAh?g^-1，其理論能量密度為 2600 Wh·kg^-1 ，而且，單質硫來源豐富、成本低廉、對環境友好、電池安全性高。因此，鋰硫電池被認為是極具發展潛力的鋰二次電池。但是，鋰硫電池在實際充放電過程中，往往存在著循環性能差、庫倫效率低等問題，造成些問題的主要原因就是嚴重的穿梭效應。電極在反應過程中產生的多硫化物 Li₂S_n（8＞n≥4）易溶于電解液中，從而導致陽極電解液中具有濃度差，在濃度梯度的作用下多硫化物穿過電池隔膜遷移到陽極。之后高聚態多硫化物與金屬鋰反應形成低聚態多硫化物。隨著電極反應的進行，低聚態多硫化物逐漸聚集在陽極，最終低聚態多硫化物在兩電極之間形成濃度差，又遷移到陰極被氧化成高聚態多硫化物。穿梭效應降低了硫電極活性物質的利用率。同時由于Li₂S 和 Li₂S₂不能溶解于電解液從而沉積在陽極表面，更進一步降低了鋰硫電池的性能。由于硫與最終產物 Li₂S 的密度不同，硫陰極在電極反應前后會發生很大的體積變化，因此電極在多次循環過程中容易粉化，從而導致電池的損壞。

為了解決上訴問題，研究將電池的隔膜改性處理已被證明能夠顯著抑制多硫化物的穿梭效應，起到捕獲多硫化物的作用，現有技術雖然在一定程度上改善了鋰硫電池的性能，但普遍存在的缺點是：電池的電化學性能不穩定，比容量不夠高，多硫化物的穿梭效應依舊明顯，鋰硫離子電池的體積膨脹顯著，實驗較復雜，操作難度大，生產成本高。

發明內容

本發明的目的為針對當前技術存在的不足，提供一種金屬有機框架材料作為鋰硫電池的隔膜材料，及其制備方法。不僅提高了隔膜材料的性能，克服了現有技術制備的鋰硫電池中多硫化物“穿梭效應”明顯、鋰硫電池的體積膨脹效應顯著和電池的電化學性能不穩定等缺陷，而且簡化了生產工藝，降低了生產成本。

本發明采用的技術方案是：

一種鋰硫電池隔膜材料的制備方法，該方法包括以下步驟：

步驟1：合成ZIF8粉體：