[發明專利]一種鋰硫電池多功能隔膜及其制備方法

在審

• 申請號: 202110004149.7
• 申請日: 2021-01-04
• 公開（公告）號: CN112768840A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 黎天保;吳秀峰;曹景超;李中良;陳功哲;焦燦;王力;劉依卓子;涂飛躍
• 申請（專利權）人: 長沙礦冶研究院有限責任公司
• 主分類號: H01M50/443
• 分類號: H01M50/443;H01M50/446;H01M50/449;H01M50/489;H01M50/491;H01M50/403;H01M10/052
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 魏龍霞

本發明公開了一種鋰硫電池多功能隔膜，包括隔膜基體，隔膜基體的至少一個表面覆有改性涂層，改性涂層為含有聚多巴胺、碳材料和催化材料的復合涂層，催化劑為金屬硫化物、金屬碳化物、金屬氧化物中的一種或多種。其制備方法是先制備聚多巴胺/碳分散液，然后與催化材料、增稠劑等助劑混合均勻制備成漿料，最后將漿料涂覆在隔膜基體的表面，干燥，即得到鋰硫電池多功能隔膜。本發明制備的鋰硫電池隔膜對多硫化物同時具有抑制穿梭和催化轉化的功能，聚多巴胺分子鏈中的含氧官能團抑制多硫化物穿梭，同時在催化材料和碳材料的作用下將多硫化物吸附在隔膜涂層側，通過“抑制?轉化”的作用阻止多硫化物穿梭到負極，從而顯著提高鋰硫電池的循環壽命。

技術領域

本發明屬于新能源材料與器件領域，特別涉及一種鋰硫電池多功能隔膜及其制備方法。

背景技術

電化學儲能體系是實現可再生清潔能源轉化、儲存和控制的關鍵體系，其特點是安全、廉價、高效和長壽命，實現化學能和電能間的轉化。目前商業化的鋰離子電池，與傳統鉛酸電池、鎳氫電池和鎳鉻電池等相比，具有重量輕、低自放電、無記憶效應等優點。隨著商業化進程的發展，鋰離子電池應用領域也從手機和筆記本電腦等便攜式電子商品，拓展到了電動汽車、電動工具、國防、航空航天等領域。但是目前商業化的鋰離子電池能量密度較低，不能滿足電動汽車等對動力電池的續航里程具有更高的要求。因此，尋求高比容量和高能量密度的電池體系是儲能領域研究的重要目標。

鋰硫電池是以單質硫作為正極材料，金屬鋰作為負極材料的電池體系。由于正極材料單質硫價格低廉、環境友好以及高比容量等優點受到廣泛關注。單質硫電極的理論比容量為1675mAh/g，擁有高理論比容量和高能量密度的鋰硫電池極有潛力成為下一代動力電池，實現商業化應用。

鋰硫電池充放電過程是一個固相—液相—固相的復雜相轉移過程。在放電過程中，單質硫首先得到電子還原生成可溶性的聚硫離子S₈^2-，然后通過逐步還原生成Li₂S₂和Li₂S。鋰硫電池充放電過程產生的中間產物多硫化物可溶解在電解液中，在充放電結束時并不能完全轉化為最終產物，導致活性物質損失，電池比容量減少。在充電過程中固相Li₂S₂和Li₂S會失電子氧化得到長鏈多硫化物，溶解于電解液中的長鏈多硫化物在濃度梯度作用下會遷移到負極。在負極表面，長鏈多硫化物會和金屬鋰反應還原得到短鏈多硫化物，甚至形成難溶的Li₂S₂和Li₂S沉積在負極表面。這不僅會腐蝕鋰電極表面破壞SEI膜，而且增加了鋰負極表面重新獲取電子和提供鋰離子的阻力，也增加了活性物質的損失。而另一方面溶于電解液中的短鏈多硫化物在電場力的作用下回到正極，進一步氧化得到長鏈多硫化物，進而產生“穿梭效應”。穿梭效應不僅會導致電池充放電效率降低，而且活性物質難以得到充分利用。隨著充放電反應的進行，多硫化物的穿梭和沉積作用會不斷損失電池比容量，減少電池的循環壽命。因此，需要在鋰硫電池的正極和負極之間設置隔膜來阻隔多硫化物穿梭。然而，在鋰硫電池充放電過程中，溶解的多硫化物通過隔膜的孔道進行往復穿梭，會導致電池性能下降。因此，通過對隔膜進行改性能夠抑制多硫化物在隔膜間的穿梭，降低穿梭效應帶來的負面影響，從而提高電池的循環壽命和充放電效率。

目前，鋰硫電池改性隔膜有采用聚多巴胺和碳材料通過簡單混合制備成漿料，然后涂覆在基體隔膜上制成改性隔膜，然而采用簡單混合很難將聚多巴胺和碳材料分散均勻，對隔膜的改性能力有限，如果未分散均勻的碳顆粒并不具備阻隔多硫化物的能力，甚至會使鋰硫電池性能變差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種鋰硫電池多功能隔膜及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：