[发明专利]用于锂硫二次电池的离子选择性隔膜及其制备与应用方法

说明书

技术领域

本发明属于离子选择性隔膜技术领域，特别涉及一种用于锂硫二次电池的离子选择性隔膜及其制备与应用方法。

背景技术

现代的电子工业发展使便携式设备的性能不断提升，也对电池能量密度提出了越来越高的要求；另一方面，电动汽车用电池也对高比能量的电池提出了极高的要求。现有的锂离子电池的性能逐渐不能满足这些设备的要求，开发新的高比能量电池体系势在必行。

硫是一种具有高理论比容量的正极材料，理论容量可达1672mAh/g，与锂负极组成的电池理论能量密度可达2600Wh/kg。并且具有廉价、无毒等众多优点，是受到广泛关注的一类新型电极材料。但锂硫电池对在充放电过程中产生的中间产物（多硫化物）易在电解液中溶解、扩散，并与正极硫材料以及负极金属锂发生副反应。该过程一方面降低了锂硫电池的循环效率，另一方面也大大提高了活性硫材料的损失，导致锂硫电池性能的快速衰减。如何提高锂硫电池的循环稳定性，从而推动其实用化进程具有重大的价值。

目前，基于锂硫电池电极材料性能的研究大量出现，但仍无法很好地解决该副反应带来的容量快速衰减的问题。从硫正极材料来看，众多研究者采用复合的方式对硫电极进行改性，分别进行了硫/碳复合材料、及硫/聚合物复合材料的制备，通过改善导电性以及对硫单质的固定化作用在一定程度上改善了硫正极的充放电性能。例如：Nazar等通过硫与介孔碳的复合，利用介孔孔道限制多硫化物的迁移，获得了较高性能的电极材料(Ji X,Lee KT,Nazar LF.Nat Mater.2009;8(6):500-6.)；王久林等通过将硫与聚丙烯腈复合实现了对硫的部分固化，从而提高了电极的循环稳定性等性能(Wang JL,Yang J,Xie JY,Xu NX.Adv Mater.2002;14(13-14):963-5.；王久林，杨军，解晶莹，等公开号：CN1384556)。

尽管通过正极孔道结构，高分子复合等方式能部分避免多硫化物的产生和扩散，但其稳定性或容量特性仍不尽如人意，若能利用锂硫电池本身的结构，开发一种具有阻挡多硫化物离子通过功能的隔膜将大幅提高电池的循环稳定性，从而进一步促进锂硫二次电池的发展。

发明内容

本发明的目的在于改变目前锂硫二次电池中隔膜主要以大孔的高分子骨架材料充当，仅实现避免正负极之间短路的单一功能的情况，提出利用离子选择性膜充当锂硫电池隔膜，实现传统隔膜避免短路的功能、同时也针对锂硫电池特点实现多硫化物的选择性阻拦，提高锂硫电池的循环稳定性。

针对现有技术不足，本发明提供了一种用于锂硫二次电池的离子选择性隔膜及其制备与应用方法。

一种用于锂硫二次电池的离子选择性隔膜，所述离子选择性隔膜具有离子选择性导通特性，其离子选择性部分为阳离子交换膜、具有多孔结构的纳滤膜或二者相连构成的复合结构；所述阳离子交换膜带有磺酸基、磷酸基、亚磷酸基、羧酸基和酚基活性基团中的一种或多种；所述具有多孔结构的纳滤膜的材质为陶瓷、金属、分子筛、醋酸纤维素、聚酰胺、聚乙烯醇和聚砜中的一种或多种。

所述离子选择性隔膜的厚度为5～1000微米。

所述具有多孔结构的纳滤膜的孔道直径为0.1～5纳米。

一种用于锂硫二次电池的离子选择性隔膜的制备方法，所述离子选择性隔膜的制备过程采用层压法、热压法、浸渍涂膜、旋转涂膜、刮刀涂膜、单向拉伸、双向拉伸、水热生长、原位生长、原位聚合和直接分散方法中的一种或多种。

一种用于锂硫二次电池的离子选择性隔膜的应用方法，所述离子选择性隔膜单独作为离子选择性膜使用，或附着于支撑性高分子隔膜表面形成复合隔膜使用，或直接附着于正极硫复合材料、负极金属锂或负极锂合金表面使用，以实现其离子选择性作用。

本发明的有益效果为：

本发明利用离子选择性材料或其复合结构作为锂硫电池隔膜材料，克服了原有锂硫电池中多硫化物在正负极间扩散带来的充放电效率较低以及电池性能稳定性较差的缺点。通过在锂硫电池电解液体系中选择性透过锂阳离子、阻挡多硫化物阴离子透过，提高电池系统的整体电化学性能。针对原有隔膜体系仅提供正负极电子绝缘的功能单一型，本发明中的离子选择性隔膜同时实现电子绝缘和离子选择性导通两种功能，并有望为抑制多硫化物迁移等锂硫电池技术障碍提供新的解决方案，通过配合高容量正极材料使用，将有助于推进锂硫二次电池硫的实用化。

附图说明

图1常规锂硫二次电池结构示意图；

图2本发明实施例1采用阳离子交换膜的锂硫电池长循环性能曲线。