[發明專利]一種鋰硫電池中間層材料的制備方法及鋰硫電池

在審

• 申請號: 202011122910.9
• 申請日: 2020-10-20
• 公開（公告）號: CN112242590A
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 張燕
• 申請（專利權）人: 廣州市豪越新能源設備有限公司
• 主分類號: H01M50/403
• 分類號: H01M50/403;H01M50/454;H01M10/052
• 代理公司: 東莞市中正知識產權事務所(普通合伙) 44231
• 代理人: 成偉

本發明提供一種鋰硫二次電池中間層的制備方法，屬于電化學儲能技術領域。本發明在氧化石墨烯和黑磷烯復合的基礎上繼續引入多孔碳、氧化鋅和氮摻雜，實現了中間層的離子選擇性功能，克服了原有鋰硫電池中多硫化物在正負極間擴散帶來的充放電效率較低以及電池性能穩定性較差的缺點。通過本發明的抑制多硫化物遷移的新的解決方案，再配合高容量正極材料，本申請實現了高循環穩定性的鋰硫二次電池。

技術領域

本申請涉及一種一種鋰硫電池中間層材料的制備方法，通過該中間層材料制備改性隔膜并將其用于鋰硫電池，屬于電池材料領域。

背景技術

隨著可再生能源的需求不斷增長，促進了具有高能量密度，低成本和環境友好性的二次電池的發展。近年來，由于其超高的能量密度和低廉的電極材料，鋰硫二次電池(LSB)呈現廣泛關注和研究。但是，它的主要缺點阻礙了其實用性，鋰硫電池受到以下問題的限制：(1)低導電率，硫的導電性為5×10^-30S/cm；(2)穿梭效應，中間產物多硫化物溶解在電解液中，并在正負電極之間來回穿梭以進行寄生反應，導致活性材料發生不可逆的損失；(3)體積膨脹，當硫完全反應形成Li2S時，由于密度的不同，將產生大的體積膨脹，這可能導致內部結構的破壞。為了克服這些問題，已經進行了廣泛的努力，例如向電極，隔板/中間層添加碳主體或極性材料。

中間層修飾隔膜是提高LSB性能的最有效策略之一，改進的隔膜可以提高電池的循環效率，并通過其高電導率和結構特征來阻止穿梭效應。它表現出類似于將多硫化鋰保持在其納米結構中的儲層或外部阻擋層。因此，開發用于LSB的有效中間層是當務之急，這也是一個挑戰。LSB中的導電中間層在導電過程中要求高導電性外，它還需要高效的物理/化學吸附和催化作用，實現多硫化物的捕獲能力。目前，各種類型的導電碳基中間層包括石墨烯納米片，碳納米管等。

相比較而言，二維片層結構比一維納米線(例如CNT或納米纖維網絡)相比具有更好阻擋能力的中間層。這是因為一維開放結構之間的內部空間很大，導致多硫化鋰容易在結構中穿梭。但是，致密的二維層會嚴重阻礙鋰離子的傳輸，從而導致極化和差的離子傳輸速率。因此，為了克服二維中間層的此類缺點并保留二維特征的優點，需要引入了一種新穎的三維納米結構，該結構通過原始二維形態的結構皺縮提供了開放的碳骨架。已經報道了對碳納米結構的某些修飾，例如表面功能化，摻雜等，可提高導電碳支架的捕集能力。但是，以上方法和策略操作復雜，成本太高，實際應用價值有限。因此，需要一種簡單、高效的合成方法以制備得到高阻硫效應的碳骨架，同時允許鋰離子快速通過。

二維金屬有機骨架材料具有大的表面積和易于制備的特點，目前，有某些ZIF被用作LSB的中間層，但是，其導電性太差，因此，將其應用于鋰硫電池仍是嚴峻的挑戰。

發明內容

本發明的目的在于，針對現有技術的不足，提高一種高效的中間層，可以高效的阻擋多硫化鋰的穿梭，同時，具有高的電子傳導效率和離子穿梭速率。

本發明的方案如下：

一種鋰硫電池中間層材料的制備方法，中間層材料包括黑磷、多孔石墨烯和氮摻雜的氧化鋅@多孔碳復合材料，其特征在于包括以下步驟：

(1)制備多孔氧化石墨烯：

將氧化石墨烯加入堿溶液中超聲分散，然后在80-100℃下回流處理；所獲得的樣品用無水乙醇和去離子水分別洗滌、過濾3次，然后將樣品干燥；

(2)黑磷/多孔氧化石墨烯復合材料的制備：

將黑磷納米片層與所述多孔氧化石墨烯在氬氣保護下機械球磨，得到前驅體，用無水乙醇和去離子水分別洗滌3次，即得，黑磷/多孔氧化石墨烯復合材料；

(3)氮摻雜氧化鋅@多孔碳/黑磷/多孔石墨烯復合材料的制備：