[發明專利]一種用于鋰硫電池的超高比表面積碳氣凝膠涂覆隔膜中間層及其制備方法以及一種鋰硫電池

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• 申請號: 202010191025.X
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111403659A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 程旭東;朱思宇;龔倫倫;張和平
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M2/14
• 分類號: H01M2/14;H01M2/16;H01M2/18;H01M10/052
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 任美玲

本發明提供了一種用于鋰硫電池的超高比表面積碳氣凝膠涂覆隔膜中間層的制備方法。本發明制備的超高比表面積碳氣凝膠作為鋰硫電池隔膜的中間層，多孔氣凝膠在隔膜表面形成了互相連接的3D介孔網絡，同時氣凝膠小球表面通過刻蝕形成了大量1.5?2nm的微孔和小型介孔結構，其中介孔結構有利于鋰離子的傳輸，而1.5?2nm的微孔結構則有利于電解液的潤濕以及多硫化物的吸附作用。這些碳氣凝膠的表面具有氮摻雜，其可以形成Li?N鍵，更大限度的吸附和固定多硫化物，同時由于碳氣凝膠本身出色的電子電導率和離子電導率，可以在碳基材料的中間層中形成第二放電載體，高效的利用吸附的長鏈多硫化物，從而優化鋰硫電池內部的電化學動力學，減少電池的濃差、擴散極化。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，具體涉及一種用于鋰硫電池的超高比表面積碳氣凝膠涂覆隔膜中間層及其制備方法以及一種鋰硫電池。

背景技術

隨著人工智能和電動汽車的迅速發展，商用鋰離子電池的低能量密度和比容量的缺點被凸顯出來。為了解決這個問題，人們開始致力于開發具有高能量密度和低成本的先進能量存儲系統。例如鋰硫電池、鋰空電池和氫燃料電池等作為替代鋰離子電池的潛在下一代能量存儲系統。

其中，鋰硫電池由于具有高達1675mAh/g的理論容量和2600wh/kg的比能量密度，吸引了極大的關注。同時，作為石油產業的冗余副產品，硫磺具有成本低、毒性低、環境友好等優異性能。這些優點確保了鋰硫電池具有極好的商業潛力。然而，鋰硫電池一些固有的缺陷阻礙了它們在能量存儲方面的實際應用，包括硫本身較低的導電性，充放電過程中電極體積的變化較大，多硫化物的穿梭效應等。其中，多硫化物的穿梭效應是制約鋰硫電池性能的主要原因，其是指在鋰硫電池的充放電過程中，可溶的長鏈鋰多硫化物(Li₂S_n，4≤n≤8)透過隔膜在正極和陽極之間的遷移。

為了解決鋰硫電池中多硫化物的穿梭效應問題，目前的專利和文獻資料報道了很多不同的方法，其主要可以分為：硫正極的改性宿主結構設計、SEI-電解液的設計、對于隔膜中間層的改性研究等。其中優化隔膜中間層是一種很有前途的低成本和有效的方法，只需更換傳統的Celgard隔膜，而無需改變鋰硫電池的基本結構，有利于商業化中的模塊式組裝。而鋰硫電池的隔膜中間層又可通過多種方式實現，包括固體電解質，涂覆隔膜等。

中國公開號為CN103270641B的專利中公開了一種在室溫或者在更高的溫度下可操作的鋰-硫-電池，其陽極和陰極通過傳導鋰離子而不傳導電子的固體電解質分開。其可以解決鋰硫電池液體電解液的安全問題，抑制硫電極在充放電過程中的體積變化，但是，由于固體電解質本身的離子電導率相對于液體電解液較低，會大大降低電池的質量比容量，因此仍需進一步研究才能實現商業應用。

中國公開號為CN109565018A的專利中公開了一種在隔膜的至少一面上涂覆氧化石墨烯和氮化硼的多孔基材的發明，氮化硼作為一種極性的金屬化合物，與極性多硫化物中間體的親和性較好，主要通過化學吸附的方式與多硫化物中的鋰原子結合，以達到固定多硫化物的作用，對于多硫化物的吸附明顯。但是，極性金屬化合物的電子導電性和離子導電性較差，導致部分吸附的多硫化物無法被再次利用，同時鋰離子的傳輸也會受到阻礙。

南開大學的Linlin Zhang等人將InN負載到隔膜上(Zhang,L.；Chen,X.；Wan,F.；Niu,Z.；Wang,Y.；Zhang,Q.；Chen,J.,Enhanced Electrochemical Kinetics andPolysulfide Traps of Indium Nitride for Highly Stable Lithium-SulfurBatteries.Acs Nano 2018,12(9),9578-9586.)，通過N原子與Li的化學親和和In較好的導電性，制備了一種循環穩定性很強的InN改性隔膜，1000圈只衰減0.015％的容量每圈，但是這種鋰硫電池在高倍率下的放電容量很低，在5C下放電僅有415mAh/g,而且In作為稀有金屬，制備方法復雜，成本高，不利于鋰硫電池的低成本商業化應用。