锂电池自支撑电极用多功能包覆层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种锂电池电极用多功能包覆层及制备方法。所述锂电池电极用多功能包覆层是由高弹性的水性聚氨酯与水溶性导电高分子表面改性的纳米碳材料及水性聚氨酯交联剂复合而成。水溶性导电高分子包括聚(3,4‑乙烯二氧噻吩)、聚邻氨基苯磺酸、聚(3‑丁酸基吡咯)或聚(N‑3‑磺基丙基苯胺)；纳米碳材料包括石墨烯、碳纳米管或纳米炭黑。与现有技术相比，本发明专利技术制备工艺简便，成本低廉，环境友好，易于规模化实施。该包覆层兼具优异回弹性和导电性，既可以适应活性电极材料在充放电过程中显著的体积形变，又可以促进活性物质的电化学反应，还能抑制活性物质的流失，显著提高锂电池的整体电化学性能。

Multifunctional coating for self-supporting electrode of lithium battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
锂电池自支撑电极用多功能包覆层及其制备方法
本专利技术涉及新能源材料技术领，特别涉及一种锂电池自支撑电极用多功能包覆层及所述锂电池自支撑电极用多功能包覆层的制备方法。
技术介绍
锂硫电池是以硫单质作为正极活性物质的金属锂电池，由于硫的理论比容量高达1675mAhg-1，还具有环境友好、储量丰富的优点，因此锂硫电池被认为是最有发展前景的下一代电化学储能器件。然而，硫及硫化产物的绝缘性、多硫化物的穿梭效应、硫放电后剧烈的体积膨胀这三大问题，严重影响了锂硫电池的循环稳定性，限制其实际应用。因此，设计制备结构、性能稳定的硫正极，是锂硫电池走向实用化的关键。由于石墨化碳的反键共轭π*与硫的3pz2轨道间存在相互作用，碳硫复合材料作为硫正极被广泛研究。设计构筑自支撑结构的碳基底负载硫正极，不仅赋予完善的电子传输网络以及离子迁移通道，而且免去了非活性的黏结剂与导电剂的使用。因此，自支撑的硫碳复合材料往往表现出大幅提高的综合电化学性能，受到人们的广泛关注。为了防止硫体积膨胀导致的电极结构破坏并抑制多硫化物的穿梭效应，设置包覆层被认为是一种行之有效的方案。目前的研究主要分为空心碳壳、空心碳纤维等碳材料，聚噻吩、聚吡咯等导电高分子，以及聚乙二醇等柔性高分子，但由于缺乏对包覆层组分和结构的优化设计，能够大幅提升硫正极性能的实用化包覆层体系尚未被开发。因此，由必要提出一种新的包覆层，以克服上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锂电池自支撑电极用多功能包覆层及其制备方法。所述锂电池自支撑电极用多功能包覆层由高弹性的水性聚氨酯与表面改性的纳米碳材料复合而成；其中，所述表面改性的纳米碳材料为表面修饰有水溶性导电高分子的纳米碳。为了达到上述目的，根据本专利技术的一方面，提供一种锂电池自支撑电极用多功能包覆层，用于包覆锂硫电池自支撑电极；所述包覆层的材料为水性聚氨酯与表面改性的纳米碳材料及水性聚氨酯交联剂复合而成；其中，所述表面改性的纳米碳材料为表面修饰有水溶性导电高分子的纳米碳,所述表面改性的纳米碳材料与所述水性聚氨酯的质量比为1：(6～20)；所述水性聚氨酯与所述水性聚氨酯交联剂的质量比为1：(0.06～0.2)。在本专利技术一实施例中，所述水溶性导电高分子为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚邻氨基苯磺酸、聚(3-丁酸基吡咯)和聚(N-3-磺基丙基苯胺)中的至少一种。在本专利技术一实施例中，所述纳米碳为石墨烯、碳纳米管或导电炭黑。在本专利技术一实施例中，所述水性聚氨酯以聚氧化乙烯二醇为软段，以2,2-二羟甲基丙酸、异佛尔酮二异氰酸酯及乙二胺为硬段。在本专利技术一实施例中，所述水性聚氨酯交联剂为亲水脂肪族聚异氰酸酯。在本专利技术一较佳实施例中，提供一种包覆层，用于包覆锂硫电池自支撑电极，所述包覆层的材料为水性聚氨酯与表面修饰有水溶性导电高分子的纳米碳及亲水脂肪族聚异氰酸酯复合而成；其中，所述水性聚氨酯与所述表面修饰有水溶性导电高分子的纳米碳的质量比为1：(6～20)；所述水性聚氨酯与所述水性聚氨酯交联剂的质量比为1：(0.06～0.2)；所述水性聚氨酯以聚氧化乙烯二醇为软段，以2,2-二羟甲基丙酸、异佛尔酮二异氰酸酯及乙二胺为硬段；并且，所述水溶性导电高分子为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚邻氨基苯磺酸、聚(3-丁酸基吡咯)和聚(N-3-磺基丙基苯胺)中的至少一种。根据本专利技术的另一方面，提供一种上述包覆层的制备方法，包括：提供表面改性的纳米碳材料的步骤；提供水性聚氨酯的步骤；以及，40～60℃复合所述水性聚氨酯与所述表面改性的纳米碳材料及水性聚氨酯交联剂的步骤。在本专利技术一实施例中，所述表面改性的纳米碳材料与所述水性聚氨酯的质量比为1：(6～20)，并且，所述水性聚氨酯与所述水性聚氨酯交联剂的质量比为1：(0.06～0.2)。在本专利技术一实施例中，所述水性聚氨酯交联剂为亲水脂肪族聚异氰酸酯。在本专利技术一实施例中，在所述提供表面改性的纳米碳材料的步骤中，水溶性导电高分子单体在酸性溶液中，在氧化剂存在的条件下与纳米碳材料室温搅拌反应至完全，以获得所述表面改性的纳米碳材料。在本专利技术一实施例中，所述酸性溶液为酸与去离子水形成的溶液，pH值范围为1～3；所述酸为盐酸、硫酸、三氟乙酸、樟脑磺酸或β-萘磺酸中的至少一种。在本专利技术一实施例中，所述氧化剂为硫酸铵或过硫酸钾。在本专利技术一实施例中，所述纳米碳材料在所述酸性溶液中的浓度为1～5mg/mL；所述纳米碳材料与所述水溶性导电高分子单体的质量比为1：(0.2～2)，所述水溶性导电高分子单体与所述氧化剂的摩尔比为1：0.8～1.2。在本专利技术一实施例中，在所述提供水性聚氨酯的步骤中，聚氧化乙烯二醇和二羟甲基丙酸在110～120℃下真空脱水后降温至80℃，加入异佛尔酮二异氰酸酯和少量N-甲基-2-吡咯烷酮反应，以得到预聚物；降温至60℃，加入三乙胺进行中和，反应完全后得到预聚体；将预聚体在高速剪切下分散于去离子水中，加入乙二胺扩链，获得所述水性聚氨酯；在本专利技术一较佳实施例中，提供上述包覆层的制备方法，包括：提供表面改性的纳米碳材料的步骤：使水溶性导电高分子单体在酸性溶液中，在氧化剂存在的条件下与纳米碳材料室温搅拌反应至完全，以获得所述表面改性的纳米碳材料；提供水性聚氨酯的步骤：将聚氧化乙烯二醇和二羟甲基丙酸在110～120℃下真空脱水后降温至80℃，加入异佛尔酮二异氰酸酯和少量N-甲基-2-吡咯烷酮反应，以得到预聚物；降温至60℃，加入三乙胺进行中和，反应完全后得到预聚体；将预聚体在高速剪切下分散于去离子水中，加入乙二胺扩链，获得所述水性聚氨酯；以及，复合所述水性聚氨酯与所述表面改性的纳米碳材料的步骤：向所述水性聚氨酯与所述表面改性的纳米碳材料的混合物中加入水性聚氨酯交联剂，40～60℃复合反应至完全；其中，所述表面改性的纳米碳材料与所述水性聚氨酯的质量比为1：(6～20)，并且，所述水性聚氨酯与所述水性聚氨酯交联剂的质量比为1：(0.06～0.2)。在上述实施例中，所述水溶性导电高分子为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚邻氨基苯磺酸、聚(3-丁酸基吡咯)和聚(N-3-磺基丙基苯胺)中的至少一种。在上述实施例中，所述酸性溶液为酸与去离子水形成的溶液，pH值范围为1～3；所述酸为盐酸、硫酸、三氟乙酸、樟脑磺酸或β-萘磺酸中的至少一种。在上述实施例中，所述氧化剂为过硫酸铵或过硫酸钾。在上述实施例中，所述纳米碳材料为石墨烯、碳纳米管或导电炭黑。在上述实施例中，所述纳米碳材料在所述酸性溶液中的浓度为1～5mg/mL；所述纳米碳材料与所述水溶性导电高分子单体的质量比为1：(0.2～2)，所述水溶性导电高分子单体与所述氧化剂的摩尔比为1：0.8～1.2。在上述实施例中，所述水性聚氨酯交联剂为亲水脂肪族聚异氰酸酯。根据本专利技术的另一方面，提供一种自支撑电极，所述自支撑电极包括：电极材料，以及，包覆于所述电极材料表面的包覆层。在本专利技术一实施例中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂电池自支撑电极用多功能包覆层，其特征在于，所述锂电池自支撑电极用多功能包覆层的材料为水性聚氨酯与表面改性的纳米碳材料及水性聚氨酯交联剂复合而成；其中，所述表面改性的纳米碳材料为表面修饰有水溶性导电高分子的纳米碳所述表面改性的纳米碳材料与所述水性聚氨酯的质量比为1：(6～20)；所述水性聚氨酯与所述水性聚氨酯交联剂的质量比为1：(0.06～0.2)。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂电池自支撑电极用多功能包覆层，其特征在于，所述锂电池自支撑电极用多功能包覆层的材料为水性聚氨酯与表面改性的纳米碳材料及水性聚氨酯交联剂复合而成；其中，所述表面改性的纳米碳材料为表面修饰有水溶性导电高分子的纳米碳所述表面改性的纳米碳材料与所述水性聚氨酯的质量比为1：(6～20)；所述水性聚氨酯与所述水性聚氨酯交联剂的质量比为1：(0.06～0.2)。


2.如权利要求1所述的锂电池自支撑电极用多功能包覆层，其特征在于，所述水溶性导电高分子为聚(3,4-乙烯二氧噻吩)、聚邻氨基苯磺酸、聚(3-丁酸基吡咯)和聚(N-3-磺基丙基苯胺)中的至少一种。


3.如权利要求1所述的锂电池自支撑电极用多功能包覆层，其特征在于，所述纳米碳为石墨烯、碳纳米管或导电炭黑。


4.如权利要求1所述的锂电池自支撑电极用多功能包覆层，其特征在于，所述水性聚氨酯以聚氧化乙烯二醇为软段，以2,2-二羟甲基丙酸、异佛尔酮二异氰酸酯及乙二胺为硬段。


5.如权利要求1所述的锂电池自支撑电极用多功能包覆层，其特征在于，所述水性聚氨酯交联剂为亲水脂肪...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庚超，王文强，王冬亚，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31