[發明專利]以醋酸纖維素為碳源制備的碳點修飾鋰硫電池隔膜的方法

在審

• 申請號: 202011272969.6
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112271402A
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 郭熠
• 申請（專利權）人: 四川輕化工大學
• 主分類號: H01M50/403
• 分類號: H01M50/403;H01M50/449;H01M50/411;H01M50/443;H01M10/052
• 代理公司: 貴陽易博皓專利代理事務所(普通合伙) 52116
• 代理人: 田常娟

本發明涉及以醋酸纖維素為碳源制備的碳點修飾鋰硫電池隔膜的方法，屬于電池隔膜材料技術領域。包括以下步驟：步驟一：以醋酸纖維素為碳源制備碳點；步驟二：碳點修飾的鋰硫電池用隔膜的制備，在步驟一所得碳點中添加導電炭黑和粘結劑，按照50?90wt%碳點、5?40wt%導電炭黑和5?40wt%粘結劑制成混合物，再向混合物中加入分散劑制備成漿料；將漿料涂敷到聚丙烯隔膜上，涂敷厚度為100?300μm，經50℃真空干燥后，獲得用于鋰硫電池的碳點修飾的隔膜。碳點可以用N/S摻雜進一步提高鋰硫電池的性能。同時也為醋酸纖維素的使用以及煙蒂的回收再利用提供了途徑。

技術領域

本發明屬于電池隔膜材料技術領域，具體涉及以醋酸纖維素為碳源制備的碳點修飾鋰硫電池隔膜的方法。

背景技術

作為最具商業應用潛力的新一代鋰離子電池，鋰硫電池具有高比容量，資源豐富和環境友好等特性。但鋰硫電池面臨的硫及其放電產物(硫化鋰)的導電性差，電化學過程中體積變化嚴重，充放電過程中長鏈多硫化合物在有機電解液中溶解和在正負極之間穿梭等問題都嚴重影響了其庫倫效率和循環壽命。研究表明，在商業聚丙烯隔膜表面涂敷對多硫化合物具有吸附作用的材料可以顯著改善鋰硫電池的電化學性能。比如利用氧化石墨烯，金屬氧/硫/氮/碳化物等與多硫化合物之間的極性-極性相互作用，可實現對多硫化合物的牢固束縛。但這些極性物質價格昂貴或者制備過程復雜，需要采用高溫氧化、硫化或者是氮/碳化才可以獲得，不利于大規模應用。

發明內容

本發明要解決的問題是：本發明針對鋰硫電池隔膜修飾時，常采用的極性氧化石墨烯，金屬氧/硫/氮/碳化物等涂敷聚丙烯隔膜中存在的原材料成本高昂，制備工藝復雜等問題，提出一種以醋酸纖維素為碳源制備的碳點修飾鋰硫電池隔膜的方法，采用低成本的醋酸纖維素和簡單的水熱法合成高活性的碳點，實現對多硫化合物的高效束縛而緩解穿梭效應，最終提升鋰硫電池的電化學性能。

本發明的技術方案是：以醋酸纖維素為碳源制備的碳點修飾鋰硫電池隔膜的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：以醋酸纖維素為碳源制備碳點

將醋酸纖維素置于溶劑中，磁力攪拌30分鐘使其完全分散于溶劑中；將混合物轉移至水熱反應釜中進行水熱反應；將反應后的物質經洗滌和干燥得到碳點；

步驟二：碳點修飾的鋰硫電池用隔膜的制備

在步驟一所得碳點中添加導電炭黑和粘結劑，按照50-90wt％碳點、5-40wt％導電炭黑和5-40wt％粘結劑制成混合物，再向混合物中加入分散劑制備成漿料；將漿料涂敷到聚丙烯隔膜上，涂敷厚度為100-300μm，經50℃真空干燥后，獲得用于鋰硫電池的碳點修飾的隔膜。

進一步的，在步驟一的醋酸纖維素和溶劑的混合物中加入尿素或半胱氨酸中的一種或兩種，合成N/S摻雜的碳點或N、S共摻雜碳點。

進一步的，步驟一中的醋酸纖維素包括醋酸纖維素片、醋酸纖維纖維或回收的由醋酸纖維素纖維合成的煙蒂過濾嘴。

進一步的，步驟一中的溶劑為蒸餾水或無水乙醇；

進一步的，步驟一中水熱反應的溫度為120-200℃，反應時間為8-15小時。

本發明的有益效果是：

1、本發明制備的碳點尺寸細小，直徑50nm左右，表面有羥基、氨基等活性基團，為多硫化合物的吸附提供了大量極性位點；

2、本發明使用碳點改性的隔膜后，鋰硫電池在1C下的初始放電比容量達到1151mAh g^-1，循環600次之后仍然保有652mAh g^-1的放電比容量。相較于未經碳點修飾的隔膜(1C初始容量僅為116mAh g^-1)，循環20次之后容量急劇衰減到100mAh g^-1以下，極大提升了鋰硫電池的性能；