[發明專利]一種用于鋁硫電池的復合夾層型隔膜及其制備方法

有效

• 申請號: 202010084944.7
• 申請日: 2020-02-10
• 公開（公告）號: CN111354905B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 吳川;楊悅;楊浩一;王欣然;白瑩;吳鋒
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M50/44
• 分類號: H01M50/44;H01M50/446;H01M50/431;H01M50/403;H01M10/054
• 代理公司: 北京迎碩知識產權代理事務所(普通合伙) 11512
• 代理人: 張群峰;錢揚保

一種用于鋁硫電池的復合夾層型隔膜及其制備方法，所述隔膜由碳材料和纖維隔膜載體構成，其中碳材料在纖維隔膜載體上的分布方式為ABX型，其中A和B為不同種碳材料，X為A、B或AB混合物。使用本發明的隔膜用于鋁硫電池可提升體系導電性并通過將多硫化物(鋁)通過物理限域和化學吸附的方法固定在正極側，達到抑制穿梭效應、提高庫倫效率和循環性能的目的。

技術領域

本發明總體涉及鋁硫電池領域，具體涉及用于鋁硫電池的隔膜修飾及其制備方法。

背景技術

隨著鋰離子電池的大規模商業化，成本和安全性等方面的許多問題難以滿足工業社會的需求，因此其他種類多價態離子電池的研究和開發也引起了研究者的極大興趣。其中較有代表性的是鈣離子、鎂離子和鋁離子電池等，由于其化學反應過程中涉及多個電子轉移，通常具有較高的比容量。其中鋁金屬的理論比容量達到2980mAh/g,在所有金屬中位居第二僅次于鋰。其體積比容量為8040mAh/g,是目前金屬電極材料中最高的。鋁又是地殼含量中最豐富的金屬元素，且具有質量輕、成本低、價格低廉等優點。而元素硫屬于輕元素且具有多電子反應的特點，同時又具有1675mAh/g的較高理論比容量。

現有的鋁硫電池，將鋁金屬作為負極而硫作為正極的活性材料，使得正負極兼具有輕元素多電子反應的特點，進一步提高了體系能量密度且降低了電池成本。

但目前的鋁硫電池普遍存在庫倫效率低，循環性差等缺點。原因在于放電過程中，S₈分子中的硫硫鍵斷裂，由長鏈硫轉換成小分子單鏈硫的過程中存在液相轉化過程，同時隔膜孔徑較大且無限域作用，無法阻止多硫化物溶于電解液并穿梭至負極側，同鋁負極生成不溶性產物。同時硫本身的導電性差，這就造成了庫倫效率偏低、循環性差、極化偏大和電池失效等問題。因此提高鋁硫電池性能的關鍵在于增加體系硫正極導電性并抑制多硫化物(鋁)的穿梭效應。

發明內容

本發明目的是為了克服上述問題，提供一種應用于鋁硫電池的復合夾層型隔膜及其制備方法，使得多硫化物(鋁)通過物理限域和化學吸附的方法固定在正極側。在提高鋁硫電池中硫正極的導電性的同時并一定程度上抑制多硫化物(鋁)的穿梭效應。使得鋁硫電池的庫倫效率和循環性能得到較大提升。

根據本發明的第一方面，提供一種用于鋁硫電池的復合夾層型隔膜，所述隔膜由碳材料和纖維隔膜載體構成，其中碳材料在纖維隔膜載體上的分布方式為ABX型，其中A和B為不同種碳材料，X為A、B或AB混合物。

具體情況下，A和B碳材料分別選自于包括聚苯胺、聚多巴胺、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯、碳納米管、MOF(金屬有機骨架材料)、MXene(二維過渡金屬碳化物)中的一種。

具體情況下，纖維隔膜載體選自于玻璃纖維隔膜、聚丙烯(PP)膜、聚乙烯(PE)膜、雙層PP/PE復合膜、無紡布隔膜及纖維素紙中的一種。

優選情況下，其中碳材料在纖維隔膜載體上的負載量為0.25mg/cm²～0.025mg/cm²之間。在該負載量下，所裝配的鋁硫電池能夠在提高電子導電性和改善庫倫效率之間達到最佳的平衡。

根據本發明的第二方面，提供一種上述復合夾層型隔膜的制備方法，包括以下步驟：

(1)分別配置所需的A、B及X碳材料分散液，在分散劑中分散碳材料達要求濃度，并使碳材料在分散劑中均勻分散。

(2)將分散好的分散液取出備用，使用砂芯過濾裝置，對分散液進行負壓覆膜工藝；在砂芯上分別放置水系濾膜和纖維隔膜載體，將A、B及X碳材料分散液分三次緩慢倒入砂芯過濾裝置并使用真空泵負壓抽濾，分別三次抽濾，制得ABX型復合層狀修飾隔膜。

(3)將制備得到的隔膜放入真空干燥箱中真空干燥，制得所述復合夾層型隔膜。

具體情況下，其中分散劑選自甲醇、乙醇、乙腈或去離子水，且分散完成的濃度低于0.25mg/ml。