用于在贫电解质条件下稳定锂硫电池的聚电解质复合纳米粒子膜制造技术

一种制造用于锂硫电池的聚电解质复合隔膜以支持贫电解质操作的方法，包括以下步骤：通过将聚乙烯亚胺(PEI)加入到鞣酸(TA)中，形成聚电解质复合纳米粒子；加入牛血清白蛋白(BSA)；纯化纳米粒子；将纳米粒子重新分散在水中以形成纳米粒子悬浮液；以及在纳米粒子悬浮液中浸涂聚烯烃膜。液中浸涂聚烯烃膜。液中浸涂聚烯烃膜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于在贫电解质条件下稳定锂硫电池的聚电解质复合纳米粒子膜


本专利技术涉及Li
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S电池，具体涉及一种插入电池阴极和阳极之间以在贫电解质条件下实现高面积容量的隔膜。

技术介绍

由于锂硫(Li
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S)电池具有高理论容量和比能量密度，因此作为潜在的第二代能量储存装置，Li
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S电池引起了人们的极大关注。为了赶超锂离子电池(LIB)的性能，近年来越来越多的研究转向了具有实际硫的面积负载量的阴极，凭借阴极设计、结构和新型材料，所需的面积容量与LIB相当甚至超过LIB。由此表明Li
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S电池的面积容量可以大大超过LIB的面积容量。然而，这种电池设计有许多共同的问题。当采用高电解质/硫(E/S)比时，在获得高硫负载量的同时，还具有以下劣势：普遍不理想的硫利用率、阴极中硫含量低、低循环性、对3D基质如多孔碳纸和金属泡沫的需求提高。这些电池尽管面积容量高，但不能产生足够大的能量密度。随着越来越多的研究团队致力于将高容量纽扣电池转化为高比能软包电池，首要问题是尽可能地最小化电解质体积，从而关注点转向了在“贫电解质”条件下循环电池。通常地，Li
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S电池隔膜必须具有先进的功能，而此功能是锂离子电池技术中常用的聚烯烃(聚乙烯或聚丙烯)隔膜所不能实现的。文献中未提及极少数的隔膜能够实现性能的整体改善，并且隔膜在获得有竞争力的能量密度方面的作用被忽略了。文献中报道的通常达到“富液式系统”的高E/S比通常会过度提升Li
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S电池性能。贫电解质条件没有得到足够的重视，因为当E/S比降低到实际水平时，许多问题会恶化。例如电解质的粘度会增加，进而引起极化加剧、空间不均匀的电化学反应、动力学延迟以及由于固体电解质界面膜的连续破裂和再形成而导致的电解质在阳极的寄生消耗。持续的电解质消耗形成了一个反馈回路，该回路会迅速增加电池内部电阻，降低容量和库仑效率，并且由于电池的最终干涸，表现出极差的循环稳定性，并导致电池过早失效。很明显，在贫电解质条件下获得高性能和循环稳定性是一个不可克服的挑战。对于基于固
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液转换的Li
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S电池，极少数的文献探索了最小化E/S比的方法。其中一种方法为：是改变阴极结构设计以最小化电解质需求，例如利用泡沫基底、减少碳的孔体积以及减少阴极的孔隙率。然而，每种方法都需以实际能量密度的降低为代价。其中，被忽略的是对先进的隔膜在获得贫电解质条件中的作用研究。聚烯烃隔膜，例如厚度<25μm且具有微米级孔的卡尔格德(TM Celgard，Inc.)，最常用于LIB，但是隔膜本身不能实现Li
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S电池所需的重要功能。关于隔膜在Li
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S电池中的作用的公开文件中，强调了旨在抑制LiPS穿梭的功能。质量传递考虑因素、离子导电性和作为隔膜/阳极界面调节器以最小化金属阳极降解的能力与隔膜在获得有竞争力的能量密度中的作用同样重要。当前隔膜的研究集中在中间层上——在现有隔膜和电极之间插入的自支撑膜，如碳布和石墨烯/碳纳米管(CNT)膜。然而，这些膜带来的质量和体积的增加，以及不
合理的高电解质需求会严重影响能量密度。对于高能量密度电池而言，在Celgard上施加薄涂层或进行改性的能力是具有前景的方法，因此先进Li
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S隔膜的合理设计是利用成熟的Celgard的优点作为涂层和改性的平台。报道中提到的用于涂覆聚烯烃的材料示例包括多孔碳、多壁碳纳米管(MWCNT)、石墨烯、氧化石墨烯；聚合物如全氟磺酸基聚合物(Nafion)或固有纳米孔隙的聚合物(PIN)，以及材料如金属氧化物、金属有机骨架(MOF)、二维过渡金属碳化物或碳氮化物(MXenes)和金属二硫化物如二硫化钼(MoS2)。这些材料均具有显著的特性，用作选择性渗透膜来阻止LiPS并允许Li+离子渗透，或者通过与LiPS相互作用/结合，从而进一步提高Li
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S电池的性能。选择性渗透材料的示例除了氧化石墨烯和Nafion外，多孔碳具有高表面积可“捕获”多硫化物并充当上部集电器。金属氧化物、金属二硫化物和MXenes具有独特的结合机制，可以作为对LiPS的电催化剂，而聚合物参与极性
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极性相互作用。这些研究的主要目的是赋予抑制LiPS穿梭的功能，而很少考虑前面提到的其他因素。因此，设计先进的隔膜仍然一个需要攻克的挑战。本专利技术的目的是提供一种用于锂硫电池的隔膜，其在贫电解质条件下能够最大化面积容量，从而缓解上述问题，或至少为公众提供一种有用的替代方案。

技术实现思路

在第一方面，本专利技术提供了一种用于锂硫电池的隔膜包括涂有聚电解质复合纳米粒子的多孔聚烯烃膜。应用于隔膜的聚电解质复合纳米粒子可通过以下步骤制备：a)制备聚乙烯亚胺(PEI)和鞣酸(TA)的溶液；以及b)向所述溶液中加入牛血清白蛋白(BSA)。优选地，在形成聚电解质复合纳米粒子时，TA酸性位点加上BSA酸性位点与PEI胺官能团加上BSA胺官能团的摩尔比提供大约1.5的电荷混合比，并且优选地，所述溶液的pH值保持在大约6，并搅拌以进行络合。优选地，所述隔膜的制造包括以下步骤：a)形成所述的聚电解质复合纳米粒子；b)纯化所述纳米粒子；c)分散所述纳米粒子以形成纳米粒子悬浮液；以及d)在所述纳米粒子悬浮液中浸涂多孔聚烯烃膜。优选地，所述膜涂覆有薄碳层，优选地，所述碳层厚度约为5μm。本专利技术还提供了一种包括隔膜的电池。需要注意的是，上述任何一方面可以包括上述任何其他方面的任何特征，还可以包括下述任何实施方式的任何特征(视情况而定)。
附图说明
本专利技术的优选特征、实施方式和变体可通过以下具体实施方式了解，该具体实施方式为本领域技术人员实施本专利技术提供了充足的信息。具体实施方式不应被视为以任何方式限制本专利技术的前述
技术实现思路
的范围。具体实施方式将参考如下多个附图：图1显示了聚电解质复合纳米粒子的形成和卡尔格德(Celgard)的沉积所涉及的步骤，并附有本专利技术的Celgard和聚电解质复合(PPX)隔膜的扫描式电子显微镜(SEM)图像。
具体实施方式
本专利技术引入了聚电解质络合的自组装化学以及选择和设计其大分子成分的独特能力，允许其功能性和形态的目标设计，从而能够设计先进的隔膜。纳米粒子协调的化学性质、多孔性和高密度的官能团产生了异常高的LiPS吸附容量，从而解决了穿梭现象，此外还赋予了隔膜许多被忽视但却至关重要的性能，例如高离子电导率、控制和改善质量传递性能的能力以及作为阳极/隔膜界面调制器。通过引入关键数量的官能团，本专利技术的聚电解质复合(PPX)纳米粒子膜使得高性能Li
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S电池的容量和库仑效率提高，循环寿命延长，并且由于涂覆薄且有效的涂层，使得能够达到“贫电解质”条件，提供有竞争力的能量密度。本专利技术独特的多孔聚电解质复合纳米粒子，由鞣酸、聚乙烯亚胺和牛血清白蛋白组成，由于其两亲性，能够在低表面能Celgard隔膜上形成均匀的亚微米的涂层。常规使用的隔膜Celgard(聚烯烃)在纳米粒子池中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于锂硫电池的隔膜，包括涂有聚电解质复合纳米粒子的多孔聚烯烃膜。2.一种形成应用于根据权利要求1所述的隔膜的聚电解质复合纳米粒子的方法，包括以下步骤：a)制备聚乙烯亚胺(PEI)和鞣酸(TA)的溶液；以及b)向所述溶液中加入牛血清白蛋白(BSA)。3.根据权利要求2所述的形成聚电解质复合纳米粒子的方法，其中TA酸性位点加上BSA酸性位点与PEI胺官能团加上BSA胺官能团的摩尔比提供大约1.5的电荷混合比。4.根据权利要求2所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：佩塔尔，
申请(专利权)人：莫纳什大学，
类型：发明
国别省市：