[發明專利]基于大面積厚膜可控織構光子晶體鋰硫電池的制備方法

有效

• 申請號: 201911250675.0
• 申請日: 2019-12-09
• 公開（公告）號: CN111082147B
• 公開（公告）日: 2023-09-12
• 發明（設計）人: 胡曉斌;林升炫;蔡子賀;肖佳佳
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M10/058
• 分類號: H01M10/058;H01M10/052;H01M4/139;C30B29/18;C30B29/02
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳亮

本發明涉及基于大面積厚膜可控織構光子晶體鋰硫電池的制備方法，利用垂直沉降自組裝的方法，隨著溶劑揮發，使單分散微球在基材的大孔中排列成光子晶體結構，以光子晶體為模板，在模板間隙中合成有序微孔碳，去除光子晶體模板獲得三維有序分級多孔結構的碳光子晶體，從而形成大面積厚膜可控的織構光子晶體。將其與單質硫復合得到硫正極，鋰金屬作為對電極，從而組裝成鋰硫電池。本發明通過改變基材的厚度和懸濁液的濃度，實現了電極厚度從10?650um的厚膜可控，同時通過改變基材的面積，實現了電極面積從0.1?400cmsupgt;2/supgt;的大面積制備。此外通過調節硫的有機溶液的濃度，實現了從1?15mg·cmsupgt;?2/supgt;的硫高負載，從而實現了鋰硫電池的高面容量密度和面能量密度。

技術領域

本發明涉及鋰電池技術領域的材質及制備方法，尤其是涉及一種基于大面積厚膜可控織構光子晶體鋰硫電池的制備方法。

背景技術

隨著自然資源的日益枯竭，傳統的不可再生能源無法繼續滿足人類社會發展的需要，人們對可替代能源的需求日益迫切。鋰離子電池作為當前常用的電化學存儲裝置具有良好的熱安全性、良好的可逆性和無毒性等特點。但是，鑒于鋰離子電池是基于鋰離子在兩極之間來回嵌鋰脫鋰的反應機理，它的理論比容量和能量密度受到限制，無法滿足大功率設備如動力汽車等的需求。

鋰硫電池是人們日常生活中一種具有廣泛應用前景的能源存儲裝置。它的反應機理與鋰離子電池不同，是基于金屬鋰與硫的化學反應，因此具有高的理論比容量(1675mAhg^-1)、高的理論能量密度、硫的豐富性以及環境友好性等特點。但是與其它鋰電池一樣，鋰硫電池的安全性如自燃現象，始終阻礙著動力電池的應用前景。產生自燃現象的根本原因是電動電池堆局部過熱引起的，而電池電極內部的微觀的不均勻反應是局部過熱的罪魁禍首。利用光子晶體的三維有序互連多孔結構作為活性材料的載體，可以有效解決微觀反應不均勻的問題。而傳統光子晶體的面積較小，厚度也很薄，限制了活性材料的面密度，從而無法實現鋰硫電池的高面容量密度和面能量密度。

為了達到此技術要求，需要制備大面積、無裂紋、厚膜光子晶體，其難點在于當面積和厚度增加時，干燥過程中會產生表面產生大量的應力，使得裂紋難以避免。目前蛋白石結構光子晶體的制備主要采用自組裝法、噴涂法、旋涂法和抽濾法，但是上述現有技術會存在以下缺陷：

1)一般的自組裝法、噴涂法、旋涂法選用表面平滑的基底(如玻璃，金屬箔等)，中國專利CN102691106A公開了一種無裂紋光子晶體的制備方法，采用噴涂、旋涂或噴墨打印的方法在柔性基材表面自組裝蛋白石結構光子晶體，但此類方法所得到的光子晶體厚度通常不超過20μm；

2)噴涂法用于制備大面積光子晶體，但由于干燥過程較快，導致其制備的光子晶體有序性較差，且干燥后由于表面張力會產生較明顯的裂紋；

3)抽濾法可用于制備厚度達500μm的光子晶體，中國專利CN100410301C公開了一種用抽濾/浸漬法制備有序多孔導電聚合物的方法，以0.22μm的濾膜為基底，通過真空抽濾使單分散微球形成膠體晶體。與噴涂法相同，存在干燥后產生裂紋的問題，且抽濾法要求基材的孔徑要小于微球的粒徑，限制了其進一步應用。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于大面積厚膜可控織構光子晶體鋰硫電池的制備方法，解決了現有技術中面積較小、厚度不可控的技術問題。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

基于大面積厚膜可控織構光子晶體鋰硫電池的制備方法，包括：

單分散微球懸濁液的配制：將單分散微球加入溶劑，分散配成懸濁液；

基材的預處理：將基材分別在乙醇、丙酮和異丙醇中超聲清洗，除去表面的雜質及有機物后干燥；