[發明專利]一種聚吡咯量子點及鈉硫電池隔膜的制備方法

有效

• 申請號: 201910579342.6
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110305321B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 劉賓虹;李洲鵬
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C08G73/06
• 分類號: C08G73/06;H01M2/14;H01M2/16;H01M4/04;H01M4/139;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/05;H01M10/42
• 代理公司: 杭州中成專利事務所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

本發明涉及鈉硫電池技術領域，旨在提供一種聚吡咯量子點及鈉硫電池隔膜的制備方法。包括：將吡咯溶液和硝酸鐵的DMSO溶液一并加入溶劑熱反應釜中，攪拌均勻；在180℃下進行溶劑熱反應0.5～5h，冷卻至室溫，得到含有聚吡咯量子點的DMSO溶液。本發明利用PBO樹脂的高強度和高耐熱溫度特性，以此為原材料的隔膜大大提高了鈉硫電池的安全性和可靠性。通過閃凍造孔得到定向樹枝形孔道，利于鈉離子傳遞。聚吡咯量子點有利于長鏈聚硫化物吸附，增加了膜的聚硫化物吸附能力，在膜中建立中聚硫化物濃度梯度，提高鈉離子含量，減低鈉硫電池的內部阻抗，并且鈍化了鈉枝晶生長防止穿透隔膜，消除充放電過程中鈉枝晶與正極接觸的可能性，防止電池短路。

技術領域

本發明是關于鈉硫電池技術領域，特別涉及一種聚吡咯量子點及鈉硫電池隔膜的制備方法。

背景技術

鋰離子電池能量密度高，對環境基本沒有污染，是目前應用最廣泛的二次電池。但是，鋰離子電池成本高，鋰資源有限，亟待開發資源豐富，成本低廉的儲能電池。鈉硫電池是一種能量密度高，成本低廉，資源豐富的儲能電池。傳統鈉硫電池在高溫下工作，以金屬鈉Na和單質硫S與碳C的復合物分別用作負極和正極的活性物質，β-Al₂O₃陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。鈉硫電池放電時負極反應為鈉失去電子變為鈉離子，正極反應為硫與鈉離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應的電勢差即為鈉硫電池所提供的放電電壓。在外加電壓作用下，鈉硫電池的正極和負極反應逆向進行，即為充電過程。根據單位質量的單質硫完全變為S^2-所能提供的電量可得出硫的理論放電質量比容量為1675mAh g^-1。鈉硫電池的化學反應式如下：2Na+xS＝Na₂S_x。

傳統鈉硫電池在300℃工作溫度下，在放電的初始階段硫含量為100％～78％，正極由液態硫與液態的Na₂S_3.2形成非共溶液相，電池的電動勢約為2.076V；當放電至Na₂S₃出現時，電池的電動勢降至1.78V；當放電至Na₂S_2.7出現時，對應的電動勢降至1.74V，直至液相消失。

鈉硫電池主要有以下幾個特點：1、理論能量密度高達760Wh kg^-1。實際比能量高，可有效減低儲能系統的體積和重量，適合于大容量、大功率設備的應用；2、能量轉化效率高，其中直流端大于90％，交流端大于75％；3、無電化學副反應，無自放電，使用壽命長，可達15年以上；4、鈉硫電池的運行溫度被恒定在300～350℃，因此其使用條件不受外界環境溫度的限制，且系統的溫度穩定性好；5、具有高的功率特性，經大電流及深度放電而不損壞電池；具有納秒級的瞬時速度，系統數毫秒以內，適合應用于各類備用和應急電站；6、原材料資源豐富，價格低，無污染，適合規模化推廣應用。然而鈉硫電池存在問題：(1)工作溫度高；(2)不適于間歇工作，高低溫的不斷切換易造成電堆的泄漏，材料疲勞損壞；(3)相對液流電池規模不能太大等問題。

為解決高溫鈉硫電池存在問題，降低鈉硫電池工作溫度是關鍵。而低溫鈉硫電池采用液體電解質，使用傳統隔膜容易在充放電過程產生鈉枝晶穿透隔膜，使用時容易引發短路，導致電池使用的不安全。其次，在鈉硫電池工作過程中會產生大量溶解于電解液的聚硫離子，因為其分子相對較小，大部分聚硫離子往往可以在電解液中隨著濃度梯度和電場力的作用移動。當長鏈聚硫離子移動到負極時與鈉金屬反應生成短鏈聚硫離子，短鏈聚硫離子在濃度梯度力和電場力的作用下又移動到正極和硫單質反應重新生成長鏈聚硫離子，形成所謂的“穿梭效應”。這些聚硫離子在電解液中不停移動，在反應中消耗了大量能量，使得電池反應的實際效率降低。隨著充放電反應的進行，聚硫離子的穿梭和與金屬鈉在負極形成硫化鈉而沉積，不斷降低電池有效活物質硫的含量，鈉硫電池發生容量循環衰退。