[发明专利]一种聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯/Celgard复合隔膜

说明书

技术领域

本发明涉及锂硫电池领域，特别涉及一种锂硫电池隔膜。

背景技术

锂硫电池是以金属锂为负极，单质硫为正极的电池体系。锂硫电池的具有两个放电平台（约为2.4 V 和2.1 V），但其电化学反应机理比较复杂。锂硫电池具有比能量高（2600 Wh/kg）、比容量高（1675 mAh/g）、成本低等优点，被认为是很有发展前景的新一代电池。但是目前其存在着活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等问题，这严重制约着锂硫电池的发展。造成上述问题的主要原因有以下几个方面：（1）单质硫是电子和离子绝缘体，室温电导率低（5×10^-30S·cm^-1），由于没有离子态的硫存在，因而作为正极材料活化困难；（2）在电极反应过程中产生的高聚态多硫化锂 Li₂S_n（8＞n≥4）易溶于电解液中，在正负极之间形成浓度差，在浓度梯度的作用下迁移到负极，高聚态多硫化锂被金属锂还原成低聚态多硫化锂。随着以上反应的进行，低聚态多硫化锂在负极聚集，最终在两电极之间形成浓度差，又迁移到正极被氧化成高聚态多硫化锂。这种现象被称为飞梭效应，降低了硫活性物质的利用率。同时不溶性的Li₂S和 Li₂S₂沉积在锂负极表面，更进一步恶化了锂硫电池的性能；（3）反应最终产物Li₂S同样是电子绝缘体，会沉积在硫电极上，而锂离子在固态硫化锂中迁移速度慢，使电化学反应动力学速度变慢；（4）硫和最终产物Li₂S的密度不同，当硫被锂化后体积膨胀大约79%，易导致Li₂S的粉化，引起锂硫电池的安全问题。上述不足制约着锂硫电池的发展，这也是目前锂硫电池研究需要解决的重点问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯/Celgard复合隔膜，包括商用Celgard隔膜和其表面的聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯层组成，所述的聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯层的厚度为1～10μm，所述的聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯层中聚丙烯腈与氟化氧化石墨烯的质量比为0.2-1：1，所述的氟化氧化石墨烯中氧的质量分数为1%-20%,所述的氟化氧化石墨烯中氟的质量分数为1%-20%。

本发明提供一种聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯/Celgard复合隔膜的制备方法如下：

（1）将氧化石墨放入马弗炉内加热反应，反应气氛为氮气和氟气的混合气体，反应完成后自然冷却，得到氟化氧化石墨；

（2）将氟化氧化石墨加入有机溶剂中，超声分散，形成悬浮液；

（3）将商用聚丙烯腈粉末加入到有机溶剂中，溶胀24小时后，加热搅拌反应，得到聚丙烯腈溶液；

（4）将悬浮液缓慢加入聚丙烯腈溶液中，机械搅拌反应，得到聚丙烯腈/氟化氧化石墨纺丝原液，在Celgard隔膜上进行静电纺丝，得到聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯/Celgard复合隔膜。

步骤（1）中加热反应的温度为50-200℃，反应时间10-60分钟，反应气氛为氮气和氟气的混合气体，其中氟气所占的体积比为5%-10%;

步骤（2）中氟化氧化石墨与有机溶剂的质量比为1：10-100，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜，N,N-二甲基甲酰胺，乙醇中的一种或几种，超声时间0.5-5小时;

步骤（3）中聚丙烯腈粉末与有机溶剂的质量比为1：10-100，聚丙烯腈粉末与氟化氧化石墨烯的质量比为0.2-1：1，有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，二甲基亚砜，N,N-二甲基甲酰胺，乙醇中的一种或几种，加热反应温度为50-80℃，加热搅拌反应时间0.5-5小时;

步骤（4）中机械搅拌反应时间1-5小时，静电纺丝条件为：温度为20～50℃，纺丝电压为8-22kV，流速为0.01-10mL/h，纺丝接收距离为8～16cm，针头来回走速20-50cm/min，纺丝时间12-48h。

本发明具有如下有益效果：聚丙烯腈/氟化氧化石墨烯层中的聚丙烯腈上的腈基，与氟化氧化石墨烯表面的氧、氟均为强极性基团，能对充放电过程中形成的多硫化物形成强烈的化学吸附，能有效的阻止多硫化物穿过隔膜到达负极，减少飞梭效应的发生，提高锂硫电池的寿命。

附图说明

图1是本发明的复合隔膜结构示意图。

图2是本发明的复合隔膜制备流程图。

图3是本发明的复合隔膜的循环寿命图。