[发明专利]一种用于锂硫电池的隔层

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于锂硫电池的隔层，属于化学电源领域。

背景技术

随着科技的不断发展，便携式设备及动力电源对电池的性能要求越来越高，开发一种小型的，轻量化的高能量密度电池迫在眉睫。锂硫电池因其活性物质单质硫具有高比容量(1675mAh/g)和高比能量(2600Wh/kg)，并且单质硫资源丰富、成本低廉、环境友好、安全可靠等优点，拥有广阔的研究和应用背景。然而，锂硫电池活性物质导电性差，充放电过程中间产物多硫化物易在电解液中溶解、扩散，与正极硫及负极金属锂发生副反应，产生穿梭效应，降低了锂硫电池的循环效率及导致活性物质的损失，最终导致电池循环性能的快速衰减。

为了解决锂硫电池在循环过程中中间产物多硫化物的溶解扩散，抑制“穿梭”，科研人员采取了众多有效的方法。正极材料方面，采用了硫/碳复合，硫/聚合物复合等方式对硫正极进行改性，通过改善导电性并对硫单质的固化作用一定程度上提升了锂硫电池的循环性能，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，有效提升了锂硫电池的循环性能(Jix，Lee KT，Nazar LF.Nat Mater.2009；8(6)：500-6.)；隔膜方面，通过在正极方向涂覆一层导电碳，并掺入一定比例的粘合剂对其加固形成保护层，阻挡多硫化物，并与铝箔形成“双层集流体”，有效降低电池内阻，从而提升电池的倍率与循环性能，除此，对隔膜进行聚合物修饰及离子选择性隔膜的应用也对锂硫电池的性能提升有所帮助。例：Cui等人(Energy Environ.Sci.，2014，7，3381)在隔膜上分别涂覆了super P、ketjen black、MCNT，并掺入少量的PVDF形成涂层，三者均对电池的循环性能有所提升，其中尤以ketjen black涂层效果最为显著。中国专利CN 104393349A公开了一种锂硫电池保护层，在隔膜上涂覆接枝各种官能团的改性石墨烯与粘合剂的混合物，从物理阻挡及化学吸附排斥作用来抑制多硫化锂的溶解扩散，并利用石墨烯的高导电性降低了电池内阻，从而提升电池循环与倍率性能；负极方面，通过对金属锂片进行修饰保护或者在电解液中加入添加剂促进负极形成稳定的SEI保护膜来抑制金属锂的枝晶粉化，从而提升电池安全与循环性能，例如Jing等人(J.Mater.Chem.A，2015，3，12213-12219)利用Al₂O₃涂层保护金属锂片来改善锂硫电池性能，他们将Al₂O₃、粘结剂PVDF混合成浆料，再涂覆在金属锂片上，达到抑制枝晶，保护负极的作用。

以上文献与专利所述策略有效地提高了正极单质硫的导电性及反应活性，提升了单质硫的利用率，并通过对负极保护提升了电池的循环与安全性能，但未能从根本上解决多硫化锂溶解穿梭及金属锂枝晶粉化的问题，锂硫电池的性能仍有待提高。

发明内容

本发明的目的是解决现有锂硫电池的问题，提供一种用于锂硫电池的隔层及其制备方法。该隔层直接涂覆在正极或负极表面，或涂布在隔膜上形成保护层，或像碳纸一样独立成片状固体贴在隔膜与正负极之间对电池加以保护。功能性隔层由三种成分组成，分别为功能剂、粘合剂、导电剂，其中功能剂为含磺酸锂基团的碳材料、聚合物或者两者的混合物以及它们与金属氧化物按不同比例搭配所形成的物质。由于隔层组分含有磺酸锂，在电池循环过程中，提升了电解液中锂离子的浓度，提高离子传质速率，并且磺酸根的存在不但能够增强离子电导率，而且配合粘合剂的使用对多硫化锂有着明显的化学阻挡吸附作用，有效抑制了它的溶解扩散，缓解锂负极表面因不溶性多硫化锂沉积形成的表面钝化，同时，导电剂的加入能够降低电池内阻，有效提升了锂硫电池的循环与倍率性能。

本发明采用的技术方案：用于锂硫电池中的隔层由三种成分组成，分别为功能剂、粘合剂、导电剂，隔层功能剂是含锂化磺酸基的碳材料、含锂化磺酸基的聚合物以及它们与氧化物混合所形成的组合物，隔层涂覆在正负极或隔膜表面或以独立片状固体的形式贴在正极或负极与隔膜之间对电池加以保护，隔层制备方法步骤如下：

称取质量比为1∶0.01～1∶0.01～1的功能剂、粘合剂、导电剂放入反应瓶中，按固液比1∶2～5加入分散剂调浆，搅拌后形成分散均匀的浆料，然后将浆料涂布于隔膜、正负极上就形成厚度为100nm～100μm的隔层，对于成膜性较好的浆料涂覆于玻璃板上，晾干后取下直接贴在正极或负极与隔膜之间形成保护；