[發明專利]一種自支撐鋰硫電池功能性隔層及其制備方法

有效

• 申請號: 202010156588.5
• 申請日: 2020-03-09
• 公開（公告）號: CN111341972B
• 公開（公告）日: 2022-03-15
• 發明（設計）人: 釗妍;王加義
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產業研究院
• 主分類號: H01M50/449
• 分類號: H01M50/449;H01M50/431;H01M50/403;H01M50/463;H01M10/42;H01M10/052
• 代理公司: 天津市尚文知識產權代理有限公司 12222
• 代理人: 郭平平

本發明屬于鋰硫電池的技術領域，具體的涉及一種自支撐鋰硫電池功能性隔層及其制備方法。該隔層為硫化鋅/氧化鋅異質結空心納米管?碳布復合材料。該功能性隔層有效緩解了目前鋰硫電池多硫化物“穿梭效應”明顯，電池的電化學性能不穩定的缺陷。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池的技術領域，具體的涉及一種自支撐鋰硫電池功能性隔層及其制備方法。

背景技術

隨著當今世界對新能源的迫切要求，越來越多的清潔能源應用于電力和動力設備中。鋰硫電池具有輕便、高比能、環境友好以及可循環使用等優點，成為眾多儲能設備的首選。單質硫作為鋰硫電池的正極材料，理論容量達到1675mAh/g，理論能量密度可達到2600Wh/kg，在以后鋰電池的發展中具有重要地位。但是由于單質硫及其充放電過程的中間產物導電性差；多硫化物在反應過程中存在穿梭效應等問題，導致現有正極材料的利用率一直處于較低的水平，直接影響鋰硫電池的實際應用。

為了解決鋰硫電池的上述缺點，除了硫正極和鋰負極改進的飛速發展，改性隔層材料也得到了廣泛關注。改性隔層放置于正極和隔膜中間，能起到物理性或化學性固定多硫化物，避免其穿梭的作用，如此便提高了正極活性物質的利用率，從而使鋰硫電池的整體性能得到提升。Sheng-Heng Chung等人(Sheng-Heng C,Arumugam M.High-PerformanceLi-S Batteries with an Ultra-lightweight MWCNT-Coated Separator[J].Journal ofPhysical Chemistry Letters,2014,5(11):1978.)使用MWCNT(多壁碳納米管)來修飾隔膜，使隔膜具有雙功能性，將其利用在鋰硫電池中，電池性能得到很好地提升。Shaibani等(Shaibani M,Akbari A,Sheath P,et al.Suppressed Polysulfide Crossover in Li–SBatteries through a High-Flux Graphene Oxide Membrane Supported on a SulfurCathode[J].Acs Nano,2016,10(8))采用高度卷曲的氧化石墨烯(GO)通過剪切方法將盤狀液晶GO直接涂覆在預先涂好的硫正極表面制備出有序排列的GO膜涂覆正極隔層。結果表明，經涂覆的正極首次放電容量分別為1063mAh/g(含硫質量分數70％)和1182mAh/g(含硫質量分數80％)，循環100次后電極容量為835mAh/g。由此可見，在鋰硫電池中添加功能性隔層能夠有效提升電池的整體電化學性能，是一種切實可行的方法。

目前鋰硫電池多功能性隔層可以分為碳基隔層和非碳基隔層兩大類。碳材料具有導電性好、易成膜、可調節孔隙結構和表面性能等優勢，采用碳材料對隔膜進行改性可以有效地防止多硫化物向鋰負極的擴散；不同的碳材料包括石墨烯、碳納米管、碳纖維、碳紙和多孔碳等，在改性隔膜中產生不同的功能，碳納米管和石墨烯構筑的功能性隔膜具有良好的導電性，可以促進正極區域沉淀的惰性硫再利用。具有大量介孔的多孔碳可以物理吸附多硫化物。

但是如果進一步抑制多硫化物擴散，只用物理方法阻隔還遠遠不夠，含有大量改性基團如雜原子摻雜碳的改性隔膜通過所產生的靜電吸引或排斥作用可以限制多硫化物的擴散。金屬氧化物如V₂O₅、Al₂O₃、SnO₂、TiO₂等可以用來制備改性隔膜/隔層，主要是因為金屬氧化物具有更好的熱穩定性和力學性能，親水特性可以改善隔膜表面的浸潤性，改善在電解液中的吸收特性并且影響多硫化物的擴散，進而提高鋰硫電池的電化學性能。另外金屬氧化物還以自身吸附多硫化物的特性來阻止多硫化物的穿梭效應，但是也不可避免地阻擋了鋰離子的傳遞。因此在金屬氧化物隔膜/隔層選材時，需要考慮抑制多硫化物的擴散平衡與調節鋰離子的往復運動兩者之間的關系。

由此可見，碳基隔層雖然可以提高材料導電性，但物理吸附對多硫化物的吸附較弱；而一般的金屬氧化物功能性隔層，雖可以有效吸附多硫化物，但金屬氧化物導電性較差，勢必一定程度上阻擋鋰離子的傳輸。