[發明專利]抑制鋰硫電池穿梭效應的三明治獨立正極及其制備方法

有效

• 申請號: 202110856801.8
• 申請日: 2021-07-28
• 公開（公告）號: CN113594415B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 徐鵬;陳沂陽
• 申請（專利權）人: 貴州大學
• 主分類號: H01M4/139
• 分類號: H01M4/139;H01M4/13;H01M4/62;H01M10/052;D01F9/22;D01F1/10;D04H1/4242;D04H1/728
• 代理公司: 重慶天成卓越專利代理事務所(普通合伙) 50240
• 代理人: 譚春艷

本發明公開了一種抑制鋰硫電池穿梭效應的三明治獨立正極及其制備方法，制備方法如下：采用靜電紡絲制備鈷納米顆粒嵌入的多孔碳纖維膜；然后將單質硫粉與科琴黑的混合物(活性物質)牢牢地夾在兩鈷納米顆粒嵌入的多孔碳纖維膜之間，形成了獨特的三明治結構電極。鈷納米顆粒嵌入的多孔碳纖維膜取代了傳統鋁箔，具有集流體的作用，其導電網狀結構增大了與活性物質的接觸面積，能夠減少材料粉化脫落；鈷納米顆粒嵌入的多孔碳纖維膜對多硫化物穿梭也具備阻攔作用，能夠加速多硫化物的轉換，從根本上減少了多硫化物的穿梭；因此本發明有助于提高鋰硫電池的能量密度，協調硫在充放電過程中的體積變化，并且能夠顯著抑制穿梭效應的發生。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池技術領域，特別涉及一種抑制鋰硫電池穿梭效應的三明治獨立正極及其制備方法。

背景技術

能源短缺和環境污染是全世界面臨的重大問題，新能源的開發和利用刻不容緩，而電池作為能量存儲的關鍵器件對其的要求以及需求也逐漸升高。其中，鋰硫電池被認為是最具發展潛力的二次電池之一，因為其具有1675mAh·g^-1的超高理論比容量，材料完全反應時，其質量能量密度高達2500W h kg^-1，體積能量密度達到2800W hL^-1，是目前常用的鋰離子電池的5倍。同時，地殼中硫資源豐富，價格低廉且對環境友好。然而，鋰硫電池的一些天然缺陷嚴重影響了它們的實際應用。例如，單質硫及其放電產物的導電性能差，通常需要添加導電材料；其次，在充放電過程中，硫的體積變化高達80％，會嚴重破壞電池結構還可能造成安全問題；另外，反應中間產物溶于電解液，能夠通過隔膜來回穿梭形成“穿梭效應”，多硫化物還會在陽極進一步反應形成以LiS₂為主的鈍化層，造成活性物質不可逆的損失以及鋰陽極的腐蝕，從而導致容量衰減、循環壽命短、自放電嚴重；這是限制鋰硫電池發展的關鍵問題。

對此科學家們做了大量研究，主要利用物質間的物理、化學作用，抑制多硫化物的穿梭從而緩解穿梭效應。例如改善電解質、采用硫復合正極材料、進行隔膜修飾、添加中間層等。其中在正極材料與隔膜之間添加一個功能化隔層(中間層)被認為是最有效的改善方法之一，它能提高正極材料的導電性同時將多硫化物限制在正極，從而減少多硫化物的穿梭，提高電池的循環穩定性。中間層的材料常采用碳納米管、還原氧化石墨烯(rGO)、碳納米纖維、多孔碳等。技術人員在碳納米管中引入氧化鈷，制備出獨特的多孔CNTs/CoO微球，碳納米管提高材料的導電性同時為限制多硫化物穿梭提供了物理屏障。碳納米管壁上的CoO加強了吸附作用以及促進氧化還原反應。這些方法能夠有效提高鋰硫電池的電化學性能，但是材料合成方法復雜很難實現大規模生產。因此，制備出合理有效且制備簡單的中間層對提高鋰硫電池性能和實際應用等方面具有重要意義。

鋰硫電池通常使用鋁箔作為集流體，其質量較大約占整個電池重量的5％-9％，使電池的能量密度降低。而且在電池充放電過程中，正極部分電壓較高，鋁箔與氧化性極強的電解液直接接觸時很容易發生腐蝕。另外，表面較光滑的鋁箔與活性物質粘附不牢，界面很難緊密結合，充放電過程中硫的體積變化較大，容易造成活性物質脫落，影響電池的倍率性能和循環壽命。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明旨在提供一種抑制鋰硫電池穿梭效應的三明治獨立正極及其制備方法，有助于提高鋰硫電池的能量密度，協調硫在充放電過程中的體積變化，并且能夠顯著抑制穿梭效應的發生。

為了實現上述目的，本發明提出了一種抑制鋰硫電池穿梭效應的三明治獨立正極的制備方法，按照以下步驟制備：

(1)采用靜電紡絲制備鈷納米顆粒嵌入的多孔碳纖維膜，包括以下步驟：

S1、首先將聚丙烯腈溶于的N，N-二甲基甲酰胺中，60-80℃加熱攪拌1-2h；然后將致孔劑和硝酸鈷六水合物溶于另外準備的N，N-二甲基甲酰胺中，攪拌均勻后，將兩溶液混合攪拌4-6h，得到紡絲液；

S2、將配制好的紡絲液轉移到注射器內進行紡絲；