[发明专利]锂硫电池用隔膜及包含该隔膜的锂硫电池

说明书

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种可提高锂硫电池的电化学性能的锂硫电池用隔膜及包含该隔膜的锂硫电池。

背景技术

随着电子信息技术的不断发展，人类对长续航高容量电池的需求更加迫切，锂硫电池因其具有高理论比容量（1675mAh/g）和理论比能量（2600Wh/Kg），受到很大关注。但是锂硫电池也存在诸多问题，例如，多硫化物的“穿梭效应”会消耗活性物质，影响电池稳定性。因此只有抑制多硫化物的“穿梭效应”同时促进多硫化物的转化来提升锂硫电池的电化学和动力学性能，才能实现锂硫电池的商业化。

近期，对于锂硫电池隔膜的改性方式，多为对多硫化物进行阻挡，例如，用石墨烯作为阻挡层，其可以提高电池循环稳定性，但是石墨烯层只能起到物理阻挡的作用，而多硫化物的转化及利用率较低，而且阻碍离子传输，对锂硫电池的电化学性能的提升很有限，因此，单纯的阻挡吸附无法满足长循环及商业化的锂硫电池。

本发明旨在提供一种锂硫电池用隔膜及包含该隔膜的锂硫电池，该隔膜包括隔膜基体和覆盖层，覆盖层包括石墨烯-硫化物异质结材料，该异质结材料结合了石墨烯的物理阻挡多硫化物作用和硫化物对多硫化物的吸附作用，从而提升锂硫电池的电化学和动力学性能。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂硫电池用隔膜，该隔膜包括隔膜基体和覆盖层，覆盖层包括石墨烯-硫化物异质结材料，该异质结材料结合了石墨烯的物理阻挡多硫化物作用和硫化物对多硫化物的吸附作用，从而提升锂硫电池的电化学和动力学性能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

锂硫电池用隔膜，包括隔膜基体，还包括覆盖层，所述覆盖层包括石墨烯-硫化物异质结材料，硫化物原位生长于石墨烯上，异质结材料中，石墨烯与硫化物的质量比为（0.5-15）：1。硫化物的导电性不及石墨烯，因此硫化物过量则导致体系导电性减弱，过少则对于多硫化物的吸附能力不足。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，所述硫化物为二硫化钛、二硫化钒和硫化亚铁中的至少一种。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，所述石墨烯-硫化物异质结材料的制备方法至少包括以下步骤：

第一步，将氧化石墨烯溶解在水中形成氧化石墨烯水溶液；

第二步，将钛源、铁源和钒源中的至少一种分散在第一步得到的氧化石墨烯水溶液中，然后加入硫源并分散均匀，得到混合液；

第三步，将第二步得到的混合液置于100℃-300℃的环境中水热反应5h-20h，反应完全后，冷却、洗涤、离心，得到石墨烯上原位生长二硫化钛、二硫化钒和硫化亚铁中的至少一种硫化物的异质结材料。水热法可以还原氧化石墨烯，提高体系的导电性，同时，水热作用下可以促进正负离子的吸附。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，所述钛源为四氯化钛、钛酸异丙酯和钛酸四丁酯中的至少一种；所述铁源为硝酸铁、氯化亚铁和硫酸亚铁中的至少一种，所述钒源为偏钒酸铵、草酸氧钒和钒酸银中的至少一种；所述硫源为硫脲、硫化钠和硫代硫酸钠中的至少一种。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，第一步中，氧化石墨烯与水的质量比为（30-70）：100。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，硫化物的粒径为10nm-3μm。纳米尺寸的硫化物比表面积较大，与多硫化物的接触充分，并且可均匀分散在溶剂中。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，所述覆盖层还包括粘接剂，并且石墨烯-硫化物异质结材料与粘接剂的质量比为（7-9）：（1-3），所述粘接剂为聚偏氟乙烯、丁苯橡胶和海藻酸钠中的至少一种。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，所述覆盖层的厚度为1μm-10μm。厚度较薄，离子传输能力较好，同时电池的体积能量密度得到提升。

作为本发明锂硫电池用隔膜的一种改进，所述隔膜基体为聚乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚乙烯/聚丙烯复合隔膜或聚对苯二甲酸乙二酯基无纺布隔膜或聚酰亚胺隔膜。