[發明專利]一種用于鋰-硫電池的氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜的制備方法

有效

• 申請號: 202110651753.9
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113381121B
• 公開（公告）日: 2023-01-10
• 發明（設計）人: 張俊平;楊燕飛;李凌霄;李步成;魏晉飛
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所
• 主分類號: H01M50/403
• 分類號: H01M50/403;H01M50/431;H01M50/449;H01M10/052
• 代理公司: 蘭州智和專利代理事務所(普通合伙) 62201
• 代理人: 張英荷

本發明公開了一種用于鋰?硫電池的氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜的制備方法，本發明以氧化鎢/黏土礦物納米材料、導電劑和粘結劑混合、球磨后，加入溶劑調節漿料的粘度至700~1300 mPa?s，并攪拌均勻得漿料；然后采用輥涂方法將上述漿料涂覆于商業隔膜單側，經熱固化，得到的改性隔膜中，氧化鎢/黏土礦物納米材料具有強電催化活性和高吸附性能，能有效加速聚硫化物的催化轉化反應；高電子導電性的碳材料有助于催化轉化過程中電子的快速傳遞。制備的改性隔膜能有效抑制鋰?硫電池中聚硫化物穿梭造成的電池低容量、低活性物質利用、緩慢的動力學、較差的倍率性能和循環穩定的問題，從而顯著提高電池的電化學性能。

技術領域

本發明涉及一種用于鋰-硫電池的氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜的制備方法，屬于鋰電池技術領域。

背景技術

鋰-硫電池具有高質量能量密度（2600 Wh kg^?1）和高體積能量密度（2800 Wh L^?1），被視為最有應用前景的高比能存儲體系之一。但可溶性聚硫化物穿梭等問題嚴重制約了高能量密度鋰-硫電池的發展。已有多種策略用于解決上述科學問題并取得了顯著進展，如電極設計、隔膜修飾、電解液添加劑、負極保護和插層等。與其他策略相比，隔膜修飾具有簡單高效、不易增加電池體積和質量、易產業化推廣等優點。但商業隔膜的固有缺陷阻礙了其在鋰-硫電池中的應用，例如較大且不規則的孔徑結構，非極性表面等。因此，隔膜表面修飾成為解決鋰-硫電池中聚硫化物穿梭的主要方法之一。目前大量的碳材料以及其他納米材料改性隔膜，并已應用于鋰-硫電池，例如氮化硼（CN110707269A）、鈣鈦礦（CN111416090A）等，顯著改善了鋰-硫電池的電化學性能。但在鋰-硫電池中，可溶性聚硫化物屬于鋰-硫放電反應過程中的中間產物，由聚硫化物轉化為固體的硫化鋰過程在動力學上是相當緩慢的。而大多數極性物質無法加速聚硫化物向硫化鋰的轉化。因此，造成聚硫化物的富集，甚至不可制止的穿梭。研究表明，納米氧化物材料（CN111370626A）、金屬氮化物（CN111864156A）等催化劑改性隔膜可以有效加速聚硫化物的穿梭，顯著改善了鋰-硫電池的動力學、容量和循環穩定性等。但是上述單一催化劑不能有效發揮最佳的電催化活性。例如金屬氧化物和金屬硫化物等的電催化活性因其對聚硫化物較差的吸附性能受到嚴重制約。因此，通過構建兼具高吸附性能和電催化活性的納米復合成為解決聚硫化物穿梭和加快聚硫化物轉化的有效方法。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有商業隔膜在鋰-硫電池應用中存在的技術缺陷，提供一種適用于鋰-硫電池的氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜的制備方法，以推動下一代高能量密度鋰-硫電池的發展。

一、氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜的制備

本發明用于鋰-硫電池的氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜的制備方法，包括以下步驟：

（1）氧化鎢/黏土礦物納米材料的制備：將鎢源添加到強極性溶劑中，攪拌、超聲處理直至溶解；再添加黏土礦物納米粒子，攪拌、超聲處理得到均勻的懸浮液；調節懸浮液pH值至1~3后轉移到反應釜中進行水熱反應，產物經洗滌，干燥，研磨，得到氧化鎢/黏土礦物納米材料。

所述鎢源為氯化鎢、鎢酸鈉、六羰基鎢、偏鎢酸銨中的一種，所述黏土礦物納米片為鋰皂石、鋰基蒙脫石、鈣基蒙脫石、凹凸棒石、埃洛石中的至少一種；鎢源和黏土礦物的質量比為1:0.3~1:3。

所述強極性溶劑為去離子水、乙醇、異丙醇、N, N-二甲基甲酰胺中的酰胺中的至少一種。

所述水熱反應是在130~200 °C下反應12~48 h。

（2）氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜的制備：將氧化鎢/黏土礦物納米材料、導電劑和粘結劑混合、球磨后，加入溶劑調節漿料的粘度至700~1300 mPa?s，并攪拌均勻得漿料；然后采用輥涂方法將上述漿料涂覆于商業隔膜單側，經熱固化，得到用于鋰-硫電池的氧化鎢/黏土礦物納米材料改性隔膜。