[發明專利]一種氮摻雜碳納米片負載碳化物納米顆粒改性隔膜及其制備方法和一種鋰硫電池

在審

• 申請號: 202011437163.8
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112563662A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 閔宇霖;代仁強;張鑫龍;時鵬輝;范金辰;徐群杰;朱晟
• 申請（專利權）人: 上海電力大學
• 主分類號: H01M50/403
• 分類號: H01M50/403;H01M50/449;H01M50/451;H01M50/411;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 王偉珍

本發明屬于電化學材料領域，提供了一種氮摻雜碳納米片負載碳化物納米顆粒改性隔膜及其制備方法和一種鋰硫電池，將含氮有機化合物研磨后加熱，將粗產物再次研磨均勻得到前驅體，將前驅體、鉬鹽和雙糖混合加熱，將得到的顆粒溶于有機溶劑，在加入粘結劑得到混合液，將混合液涂敷在隔膜基底表面，得到改性隔膜。本發明提供的改性隔膜既保留了傳統烯烴類隔膜優良的化學和電化學穩定性以及良好的機械強度，又對電池隔膜的孔徑進一步限制，有效抑制了穿梭效應，改性隔膜耐高溫、耐大電流充放電性能。本發明提供的包含改性隔膜的硫鋰電池具有良好的鋰離子傳輸性能、優異的機械強度、耐用性和電化學性能。

技術領域

本發明屬于電化學材料領域，具體涉及一種氮摻雜碳納米片負載碳化物納米顆粒改性隔膜及其制備方法和一種鋰硫電池。

背景技術

隨著便攜式電池在電子設備和電動汽車中應用不斷擴大，人們越來越追求鋰電池長久耐用的性能，而傳統的鋰離子電池已經無法滿足這種需求。由于硫具有較高的理論比容量和能量密度，價格低廉和環境友好型的優點，采用硫或含硫化合物為正極，鋰或儲鋰材料為負極來實現電能與化學能的相互轉換的鋰硫電池體系，逐漸成為主流。

鋰硫電池主要由正極材料、電解液、隔膜以及負極材料構成。總的反應方程式為這個反應的中間過程包含多步氧化還原反應，與此同時伴隨著復雜的硫化物的相轉變過程。具體來說在放電過程中，單質硫得到電子并與鋰離子結合逐步生成長鏈多硫化物?Li₂S_n(4≤n≤8)，其極易溶于電解液，所以從正極結構中通過電解液擴散，隨著放電程度的加深，多硫化物進一步還原直到轉變為短鏈的?Li₂S₂或Li₂S,這種短鏈的多硫化物溶解度較低，會從電解液中析出。而在充電過程中，短鏈的多硫化物失去電子又逐步被氧化成多硫化物的中間體，并最終又回到單質硫。

目前，鋰硫電池充放電過程中存在的問題主要有：(1)硫及硫化鋰的導電率較低，且充放電的過程中硫粒子的體積變化較大從而破壞了電極結構；(2)充放電過程中生成的中間產物多硫化物在有機電解液中高度溶解，導致活性物質損失和能量消耗；(3)溶解的多硫化物會擴散至陰極生成Li₂S或者Li₂S₂沉淀影響電池性能；(4)溶解的聚硫化物易發生穿梭效應。穿梭效應和陰極表面的沉淀會導致硫的利用率低、硫正極的庫倫效率低及容量衰減較快。(5)負極金屬鋰在長循環的充放電過程后，表面會慢慢生長鋰枝晶，而鋰枝晶在一定程度后會穿透隔膜導致安全問題，同時存在一部分鋰在參與循環次數多后會慢慢失活成為不可逆的死鋰。

隔膜作為電池體系中的重要組成部分之一，其性能的優劣對電池性能有著重要的影響。隔膜位于正負極之間，在充放電循環過程中，防止正負極接觸而發生短路，并且允許鋰離子進行自由遷移。優良的多孔性、彎曲性、收縮性、潤濕性和離子導電率是隔膜材料所必須具備的性能，聚丙烯(PP)微孔膜、聚乙烯(PE)微孔膜以及Celgard公司生產的多層復合隔膜(PP/PE兩層復合或PP/PE/PP三層復合)等傳統的烯烴類隔膜是目前常用的鋰硫電池隔膜。此類隔膜具有較好的化學和電化學穩定性、良好的機械強度且生產成本較低、孔徑的尺寸可控。但此類隔膜在耐高溫、耐大電流充放電性能上有著重大缺陷，應用到動力鋰硫電池中存在巨大的安全隱患。同時，傳統的聚烯烴隔膜不能很好地抑制鋰硫電池充放電過程中所產生的中間產物聚硫化物的擴散。另外還有一種靜電紡絲制備的隔膜，其孔徑較大，多硫化物極易穿過隔膜到達負極，從而造成鋰負極表面的腐蝕影響電化學性能。靜電紡絲制備的隔膜機械性能較差，在電池循環過程中產生的枝晶極易刺穿隔膜，從而造成安全隱患。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種氮摻雜碳納米片負載碳化物納米顆粒改性隔膜及其制備方法和一種鋰硫電池。