一种锂硫电池复合隔膜及其制备方法技术

一种锂硫电池复合隔膜及其制备方法，它涉及一种电池复合隔膜及其制备方法。本发明专利技术的目的是要解决现有锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应，导致锂硫电池循环寿命变差、库仑效率降低和容量迅速衰减的问题。方法：一、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶；二、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的隔膜。一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶为三维蓬松多孔的气凝胶结构，具有大比表面积、多级层次孔结构和大孔隙率。本发明专利技术工艺巧妙、加工设备价格低廉、程序和方法简单，成本低，有利于大规模工业化生产。本发明专利技术可获得一种锂硫电池复合隔膜。发明专利技术可获得一种锂硫电池复合隔膜。发明专利技术可获得一种锂硫电池复合隔膜。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池复合隔膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种电池复合隔膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂硫(Li
‑
S)电池是锂电池的一种。Li
‑
S电池通常由正极、隔膜、有机电解液和负极四部分组成，其中隔膜的作用是阻隔正负极，以避免短路。典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675m Ah/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh/g)约为当前最先进锂离子电池的3
‑
5倍，有机会在能量储存方面实现量子飞跃，解决当前能源短缺的问题。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池。锂硫电池的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理，与S的双电子氧化还原反应(S8+16Li
+
+16e
‑
→
8Li2S)有关。简单来说，在放电过程中，Li负极被氧化释放出电子并产生Li
+
，然后正极S8分子与迁移过来的Li
+
和电子发生反应，先被还原成可溶性的液态多硫化物(LiPSs)，再随着放电的进行，最终被还原成不溶性固态Li2S2/Li2S。充电过程与之相反，则是Li2S2/Li2S失去电子被逐步氧化成环状S8分子。反应的中间产物锂多硫化合物Li2S
n
(n＝3～8)会溶解到有机电解液中，能在正负极之间迁移，从而导致穿梭效应。这种穿梭效应使得电池循环寿命变差、库仑效率降低，容量迅速衰减，是限制锂硫电池发展和实际应用的主要原因。针对这一问题，本专利技术选择从隔膜方面加以改进。
[0003]隔膜在Li
‑
S电池中起着不可或缺的作用，它充当着电子绝缘体和离子导体的角色，能够将正极和负极分隔开，防止电池短路。目前锂硫电池通常采用商业化的微孔聚丙烯(PP)膜作为隔膜，其优点是成本低、机械稳定性好、电化学稳定性强并且孔隙率高。但其缺点是：润湿性低、电解液保液性差、离子电导率低、无锚定多硫化物作用等。而且PP隔膜孔径一般为～100nm，而可溶性LiPSs的平均尺寸仅为几纳米。在电池循环过程中，LiPSs可轻松通过高孔隙的聚烯烃隔膜扩散到金属Li负极，导致严重的穿梭效应。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是要解决现有锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应，导致锂硫电池循环寿命变差、库仑效率降低和容量迅速衰减的问题，而提供一种锂硫电池复合隔膜及其制备方法。
[0005]一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶为三维蓬松多孔的气凝胶结构，具有大比表面积、多级层次孔结构和大孔隙率，比表面积高达85.0m2g
‑1，孔隙率可达0.32cm3g
‑1，碳纳米管是直径为5nm～50nm，壁厚为2nm～20nm，碳纳米管均匀地分散在碳化钛纳米片之间，质量百分数为5％
‑
60％；同时，碳化钛纳米片形成很多褶皱结构；碳化钛纳米片的(002)晶面间距为17.03nm；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶在聚丙烯膜上的负载量为0.1～
5mg/cm2。
[0006]一种锂硫电池复合隔膜的制备方法，是按以下步骤完成的：
[0007]一、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶：
[0008]①
、将碳纳米管水性分散液和Ti3C2T
x
溶液混合，然后超声，再滴加乙二胺，再继续超声，得到混合溶液；
[0009]②
、将混合溶液密封在试剂瓶中，再在80℃～140℃下加热，得到反应产物；将反应产物浸泡在无水乙醇中，取出后使用蒸馏水冲洗，最后冷冻干燥，得到碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶；
[0010]二、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的隔膜：
[0011]将碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶与PVDF粘合剂加入到N
‑
甲基吡咯烷酮中，超声分散，得到混合液；将混合液抽滤到聚丙烯膜上，得到碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜，再冲成膜片，即为锂硫电池复合隔膜。
[0012]本专利技术的有益效果：
[0013]1、本专利技术制备的一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶为三维蓬松多孔的气凝胶结构，具有大比表面积、多级层次孔结构，比表面积高达85.0m2g
‑1，相当于纯碳化钛纳米片气凝胶的3.5倍多，可以有效地减缓穿梭效应；
[0014]2、本专利技术制备的一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；碳纳米管均匀地分散在碳化钛纳米片之间，碳化钛纳米片形成很多褶皱结构。碳化钛纳米片和碳纳米管复合气凝胶中的多级层次孔结构和较大的孔隙率(0.32cm
3 g
‑1，相当于纯碳化钛纳米片气凝胶的8倍)提高了隔膜的浸润性，促进离子的传输，因而获得更好的电化学性能；
[0015]3、本专利技术制备的一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；碳纳米管直径为5～50nm，壁厚2～20nm；碳纳米管作为导电骨架，形成相互连通的网络结构，有效地防止了碳化钛纳米片的堆叠，同时改善了碳化钛纳米片气凝胶的导电性能(其电导率为2.51Scm
‑1，是纯碳化钛纳米片气凝胶的2倍多)，有利于电解液的渗入和离子/电子的快速传导；
[0016]4、本专利技术制备的一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；碳化钛纳米片具有高活性表面，Ti3C2T
x
上的羟基可以与LiPSs反应形成表面硫代硫酸盐物种；然后，这些硫代硫酸盐可作为氧化还原介质捕获随后形成的LiPSs，并通过歧化反应直接将它们转化为Li2S；
[0017]5、本专利技术制备的一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；碳化钛纳米片的(002)晶面间距为17.03nm，相比于普通碳化钛纳米片有明显的展宽，提供了更多的(002)晶面内的活性位点，有利于暴露更多的酸性Ti位点，形成Ti
‑
S键强烈吸附LiPSs，为更好地锚定溶解在电解液中的多硫化锂创造了条件，也更利于电荷转移。而且，而且本专利技术合成的锂硫电池复合隔膜具有可通过调节碳化钛(002)晶面层间距优化性能，有利于材料的合理设计和精准控制，为锂硫电池的研究和实际应用提供了理论依据和技术支撑；
[0018]6、本专利技术制备的一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修
饰的聚丙烯膜；碳化钛纳米片作为一种典型的极性材料，对多硫化锂具有较强的化学吸附作用，可在对溶解在电解液中的多硫化锂产生有效地物理阻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池复合隔膜，其特征在于一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶为三维蓬松多孔的气凝胶结构，具有大比表面积、多级层次孔结构和大孔隙率，比表面积高达85.0m2g
‑1，孔隙率可达0.32cm3g
‑1，碳纳米管是直径为5nm～50nm，壁厚为2nm～20nm，碳纳米管均匀地分散在碳化钛纳米片之间，质量百分数为5％
‑
60％；同时，碳化钛纳米片形成很多褶皱结构；碳化钛纳米片的(002)晶面间距为17.03nm；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶在聚丙烯膜上的负载量为0.1～5mg/cm2。2.如权利要求1所述的一种锂硫电池复合隔膜的制备方法，其特征在于一种锂硫电池复合隔膜的制备方法是按以下步骤完成的：一、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶：
①
、将碳纳米管水性分散液和Ti3C2T
x
溶液混合，然后超声，再滴加乙二胺，再继续超声，得到混合溶液；
②
、将混合溶液密封在试剂瓶中，再在80℃～140℃下加热，得到反应产物；将反应产物浸泡在无水乙醇中，取出后使用蒸馏水冲洗，最后冷冻干燥，得到碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶；二、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的隔膜：将碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶与PVDF粘合剂加入到N
‑
甲基吡咯烷酮中，超声分散，得到混合液；将混合液抽滤到聚丙烯膜上，得到碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜，再冲成膜片，即为锂硫电池复合隔膜。3.根据权利要求2所述的一种锂硫电池复合隔膜的制备方法，其特征在于步骤一
①
中所述的超声时间为10min～30min，超声功率为150W～300W。4.根据权利要求2所述的一种锂硫电池复合隔膜的制备方法，其特征在于步骤一
①
中所述的碳纳米管水性分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张喜田，武立立，马新志，尹菲，叶红凤，
申请(专利权)人：哈尔滨师范大学，
类型：发明
国别省市：