[發(fā)明專利]金屬/硫二次電池用非對稱隔膜

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910648327.2
• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN110350130A
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 韋偉峰;馬騁
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: H01M2/14
• 分類號: H01M2/14;H01M4/36;H01M4/583;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/0562;H01M10/052
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發(fā)明提供了一種金屬/硫二次電池用非對稱隔膜，在多孔支撐材料的兩面分別覆有不同功能涂層，硫正極側(cè)涂層為包括導(dǎo)電碳材料、含極性官能團的離子導(dǎo)體聚合物和粘結(jié)劑的復(fù)合物，另一面金屬負極側(cè)涂層為包括無機固體電解質(zhì)和粘結(jié)劑的復(fù)合物。本發(fā)明的功能化非對稱隔膜可顯著抑制多硫化物的穿梭及金屬負極界面副反應(yīng)和枝晶的生長，提升了隔膜對電解液的潤濕性、機械強度、熱穩(wěn)定及高溫尺寸穩(wěn)定性，保證了金屬/硫二次電池安全穩(wěn)定運行。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種金屬/硫二次電池用材料，特別涉及一種金屬/硫二次電池用非對稱隔膜。

背景技術(shù)

金屬/硫二次電池具有能量密度高、成本低廉、儲量豐富以及環(huán)境友好等優(yōu)點，被視為當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ男乱淮弑饶芏坞姵伢w系。然而，其根本問題在于充放電過程中多硫化物易溶解穿梭、不均勻金屬沉積誘發(fā)枝晶生長，以及低閃點、低燃點有機電解液帶來的安全隱患。基于上述問題，國內(nèi)外研究者們基于硫正極及金屬負極結(jié)構(gòu)改性等方面在一定程度上提高了金屬/硫二次電池的電化學(xué)性能。而作為金屬/硫二次電池的組成部分，隔膜在電池中起著隔離正、負極及吸附電解液并使電解液中的離子自由通過而電子絕緣的作用。目前結(jié)構(gòu)單一的商用隔膜難以抑制多硫化物的穿梭和枝晶生長，仍需突破系列關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題。研究者嘗試構(gòu)建了多種納米材料(如碳材料、層狀金屬化合物、金屬有機框架等)修飾的復(fù)合隔膜，在一定程度上緩解了多硫化物穿梭和枝晶刺穿隔膜的問題，然而目前的隔膜不能同時有效解決多硫化物穿梭和枝晶生長的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在提供一種可同時有效解決多硫化物穿梭和枝晶生長問題的金屬/硫二次電池用非對稱隔膜，本發(fā)明通過以下方案實現(xiàn)。

在多孔支撐材料的兩面分別覆有不同涂層，硫正極側(cè)涂層為包括導(dǎo)電碳材料、含極性官能團的離子導(dǎo)體聚合物和粘結(jié)劑的復(fù)合物，另一面金屬負極側(cè)涂層包括無機固體電解質(zhì)和粘結(jié)劑的復(fù)合物。

多孔支撐材料可以為現(xiàn)有技術(shù)中用于隔膜的多孔支撐材料中的一種或多種，如聚乙烯隔、聚丙烯、聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟乙烯)、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚酰亞胺、聚砜、聚碳酸酯、聚氨酯、纖維素、無紡布、玻璃纖維。

導(dǎo)電碳材料可以現(xiàn)有碳材料中一種或多種，如多孔(納米孔、微米孔、介孔、多級孔)碳材料、中間相碳微球、碳納米片、碳納米管、碳納米纖維、碳量子點、石墨烯、富勒烯、碳氣凝膠、聚噻吩、聚吡咯、聚多巴胺等，以及經(jīng)過一種或多種雜原子(氮、氧、硫、磷、硼等)或過渡族金屬原子(鐵、鈷、錳、鎳等)摻雜的上述碳材料等。

含極性官能團的離子導(dǎo)體聚合物可以為現(xiàn)有以下聚合物中的一種或多種，如聚氧乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯腈、聚磷酸酯、聚乙烯醇、聚硅氧烷、聚硼氧烷、聚磷腈，以及上述聚合物的衍生物等。

無機固體電解質(zhì)可以為現(xiàn)有可用于作為二次電池的無機類固體電解質(zhì)，如層狀Li₃N、鈣鈦礦型、鈉快離子導(dǎo)體(NASICON)、鋰快離子導(dǎo)體(LISICON)、石榴石型(GARNET)、LiPON型、氧化物和硫化物型等一種或多種，以及經(jīng)過金屬原子(Al、Fe、Ti等)摻雜的上述電解質(zhì)材料。

粘結(jié)劑可以為用于二次電池正、負極中的粘結(jié)劑化合物中的一種或多種，如聚乙烯吡絡(luò)烷酮、聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯-六氟乙烯)、聚氧乙烯、聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚丙烯酸、羧甲基纖維素鈉、海藻酸鈉、環(huán)糊精、丁苯膠乳、聚四氟乙烯、聚乙烯亞胺、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺。

優(yōu)選地，當(dāng)硫正極側(cè)涂層的厚度為50nm～50μm，金屬負極側(cè)涂層的厚度為50nm～50μm時，隔膜更適于應(yīng)用于金屬/硫二次電池中。

優(yōu)選地，硫正極側(cè)涂層的復(fù)合物中，導(dǎo)電碳材料質(zhì)量分數(shù)為5～90％，離子導(dǎo)體聚合物質(zhì)量分數(shù)為5～90％，其余為粘結(jié)劑；另一面金屬負極側(cè)涂層復(fù)合物中，無機固體電解質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為2～98％，其余為粘結(jié)劑。此種非對稱涂層成分設(shè)計使得隔膜的性能更佳。