[發明專利]一種具有電催化功能隔膜的制備方法及其在鋰硫電池中的應用

在審

• 申請號: 202010143776.4
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111403658A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 孫福根;李亞輝;丁國彧;景鑫國;嚴奉乾;朱振;高遠;徐國軍;李曉敏;岳之浩;周浪
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: H01M2/14
• 分類號: H01M2/14;H01M2/16;H01M10/052;H01M10/42
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• 代理人: 暫無信息

本發明屬于鋰硫電池技術領域，涉及一種具有電催化功能的隔膜及其制備方法和應用。所述隔膜是由商用聚合物隔膜基體及涂覆在隔膜基體一側表面的電催化功能修飾層組成，其中：所述電催化功能修飾層包括粘結劑、導電劑和電催化劑；所述電催化劑為石墨烯和雜原子摻雜的MoS₂組成的三維多孔復合物。石墨烯構建的三維多孔結構可以通過物理作用吸附大量溶解在電解液中的多硫化鋰；雜原子摻雜的MoS₂具有豐富的界面缺陷、極性和電催化活性，可高效化學吸附多硫化鋰并催化多硫化鋰的電化學轉化，抑制鋰硫電池的“穿梭效應”，提升高硫載量鋰硫電池的可逆容量和循環穩定性。

技術領域

本發明屬于電化學儲能電池領域，具體涉及一種具有電催化功能的隔膜、其制備方法及其在鋰硫電池中的應用。

背景技術

鋰硫電池是受到科學界和產業界寄予厚望的鋰二次電池體系之一。鋰硫二次電池以金屬鋰為負極，單質硫為正極，其理論比容量為1675mAhg^-1理論能量密度為2600Whkg^-1，實際能量密度目前也能高達400Whkg^-1，且高比能高比功的同時成本低廉、環境友好。但是，鋰硫二次電池存在硫活性物質利用率低、電化學可逆性差以及容量衰減快等缺陷，目前還是制約鋰硫電池發展的關鍵瓶頸。

對于鋰硫二次電池，其硫正極材料存在的主要共性技術問題如下：(1)單質硫和放電產物硫化鋰Li₂S的本征電導率都極低，使得活性物質利用率低；(2)單質硫在充放電過程中形成的中間產物多硫化鋰Li₂S₈、Li₂S₆和Li₂S₄易溶于電解液，造成活性物質流失；(3)多硫化鋰的電化學反應速率緩慢和電化學活性低；(4)在濃度梯度的作用下，溶于電解液的多硫化鋰穿過隔膜與金屬鋰負極直接接觸，形成“穿梭效應”，導致循環性能差和自放電率高；(5)單質硫充放電過程中產生較大的體積膨脹和收縮效應(體積增加超過80％)，造成電極的物理結構破壞，導致電化學可逆性差。

為了克服以上缺陷，提高硫正極的可逆容量和循環性能，目前采用的方案主要為：硫正極復合化、鋰負極保護、阻擋層添加、隔膜修飾、電解液和粘結劑改性。其中，隔膜修飾，即將修飾材料涂覆在隔膜基體表面一側，是一種較為有效提高電池性能的方案。目前，國內外研究者們對包括多孔炭、炭納米管和石墨烯等炭類修飾材料進行了不同角度的嘗試。歸納此類炭類修飾材料的共性特點在于：炭質材料的高導電性能夠增強電子傳導；炭質材料的吸附作用能夠緩解多硫化鋰的溶出擴散問題。然而，非極性的炭材料只能通過較弱的物理作用吸附極性的多硫化鋰，固硫作用有限。特別是當硫負載量較高時，多硫化鋰的電化學轉化速率緩慢、在硫正極區域富積并產生較大的濃度梯度，多硫化鋰在高濃差作用下很容易擴散穿過隔膜，產生“飛梭”效應。因此，目前這種以吸附或者“圍堵”多硫化鋰為主的策略，難以從根本上改善多硫化鋰的飛梭問題。隔膜修飾材料的結構性能依然需要強力提升。

發明內容

針對現有技術存在的缺陷，本發明提供了一種具有電催化功能的隔膜及其制備方法和在鋰硫電池中的應用。所述隔膜是由商用聚合物隔膜基體及涂覆在隔膜基體一側表面的電催化功能修飾層組成，其中：所述電催化功能修飾層包括粘結劑、導電劑和電催化劑；所述電催化劑為石墨烯和雜原子摻雜的MoS₂組成的三維多孔復合物。所述制備方法為：首先將石墨烯、鉬源、硫源和含摻雜元素的前驅體在水溶液中均勻混合，通過水熱法在石墨烯表面原位生長雜原子摻雜的MoS₂納米片，同時進行三維結構組裝；然后將粘結劑、導電劑和電催化劑均勻涂覆在隔膜基體一側表面，制得具有電催化功能的鋰硫電池隔膜。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種具有電催化功能的隔膜，其特殊之處在于：所述電催化功能隔膜是由商用聚合物隔膜基體及涂覆在隔膜基體一側表面的電催化功能修飾層組成。