[发明专利]一种锂硫电池专用改性隔膜及其制备方法和锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种锂硫电池专用改性隔膜及其制备方法及其组成的锂硫电池。

背景技术

锂硫(Li-S)电池是以锂为负极(理论比容量3860mAh/g)、硫为正极(理论比容量1675mAh/g)的一种新型电化学储能系统，理论比能量可达2600Wh/kg，远大于现阶段的商业化锂离子电池，且硫在地球上储量丰富、廉价、低毒或无毒的特点使该体系极具商业价值。然而锂硫电池的电化学有很多严重的问题急需解决。首先，活性物质硫及其放电产物的电导率很低，降低了电池的能量效率；其次，电化学反应的中间产物多硫化锂易溶于电解液产生不可逆的容量损失，降低硫的利用率和循环性能，且增加离子迁移阻力；同时，溶解于有机电解液中的多硫化锂由于“穿梭效应”迁移至锂负极，形成SEI膜进一步降低电池的电化学性能。

为了解决锂硫电池多硫化物穿梭效应、硫导电性差、体积膨胀这三个主要问题，近些年来，人们主要是对硫正极进行改性，例如将多孔活性炭，碳纳米管，石墨烯等碳材料与硫复合。如中国专利CN 103456929 A公开了一种锂硫电池正极，该正极材料由单质硫和三维分级多孔炭复合而成；制备方法是先通过溶剂热法制备三维分级多孔炭的前驱体复合物，碳化后得到三维分级多孔炭，再和硫复合，即得到锂硫电池正极材料。该三维分级多孔炭具有多个由中孔和微孔构成的层次孔状结构，且孔状结构之间相互贯通，具有很大的比表面积，能大量容纳活性物质单质硫(结合硫的质量占三维分级多孔炭质量的50～90％)，并且中孔结构有助于抑制硫单质及多硫化合物在电解液中的溶解，保持较高的正极材料活性物质利用率，也有利于锂硫电池循环性能的提高。

如中国专利CN 103682280 A公开了一种锂硫电池正极材料，包括硫颗粒、导电添加剂和石墨烯。以氧化石墨烯、导电添加剂和硫颗粒为原料，将导电添加剂和硫颗粒进行热处理后进行喷雾干燥，然后将得到的导电添加剂、硫复合物与氧化石墨烯混合，采用还原剂还原氧化石墨烯，得到锂硫电池正极材料。导电添加剂和硫颗粒形成导电网络，提高了正极材料的导电性；石墨烯优异的导电性进一步提高了正极材料的导电性；石墨烯还能够有效抑制多硫化物的溶解，提高了锂硫电池的循环性能。然而对正极材料的改性仍然不能完全抑制多硫化物的“穿梭效应”，正极改性中用到的碳基材料只能束缚部分多硫化锂，锂硫电池的容量和能量依然会很快下降，因此想要得到高性能的锂硫电池不能单单只对硫正极进行改性。

为了能够更好的抑制多硫化锂的穿梭效应，可以在硫基正极与隔膜之间加入一层阻挡层吸附从正极逃逸的多硫化锂。如中国专利CN 103647104 A公开了一种锂硫电池，在硫正极与隔膜间设有由导电高分子纳米材料形成的阻挡层，阻挡层的高导电性一方面促进了离子和电子的传输，另一方面会阻止锂硫电池放电中间产物在电解液中的溶解和迁移，进而提高电池循环性能。中国专利CN 103490027 A公开了一种锂硫电池隔膜，所述锂硫电池用隔膜由普通电池隔膜与其上负载的多孔阻挡层构成。多孔阻挡层可以允许锂离子通过，但对硫正极在充放电过程中形成的多硫化锂中间体有阻挡和吸附作用。其多孔阻挡层为市场购买的活性碳或者实验室制备的多孔碳。然而这些导电高分子材料与多孔碳材料对多硫化锂的吸附大部分是一种基于范德华力的物理吸附，吸附能力有限。因此，研究一种更优异的吸附与催化性能的阻挡层与隔膜复合，进一步提高电池的电化学性能已是非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种锂硫电池专用改性隔膜及其制备方法和锂硫电池，在碳硫复合正极改性的基础上，对电池的隔膜进行改性，进一步提高锂硫电池的电化学特性。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种锂硫电池专用改性隔膜，包括隔膜本体和涂布在隔膜本体靠正极一侧表面的改性涂层，所述改性涂层为科琴黑包覆金属氧化物涂层；改性涂层中添加有导电剂，导电剂与科琴黑包覆金属氧化物混合均匀后加入NMP(N-甲基吡咯烷酮)作为分散剂，均匀涂布在隔膜表面。

上述的锂硫电池专用改性隔膜，优选的，所述隔膜本体为商用隔膜Celgard2400；所述导电剂为Super-P(导电碳黑)、BP2000(卡博特导电炭黑)、乙炔黑中的一种或几种。

上述的锂硫电池专用改性隔膜，优选的，所述改性涂层的厚度为50-200μm；改性涂层中科琴黑与金属氧化物的质量比≥1。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的锂硫电池专用改性隔膜的制备方法，包括以下步骤：