[发明专利]锂硫电池隔膜及其制备方法

说明书

本发明提出了一种锂硫电池隔膜及其制备方法，包括基膜，所述基膜的一面设有掺氟聚合物的芳纶浆料，其另一面设有碳浆料。制备方法：1)将掺氟聚合物的芳纶浆料静电纺丝到基膜的一面，并对纺丝后隔膜进行热压处理；2)然后将碳浆料涂覆至1)步骤的隔膜另一面，烘干，即可。该隔膜控制锂硫电池充放电时体积膨胀和减少“穿梭效应”。

技术领域

本发明属于锂电池隔膜技术领域，具体涉及一种锂硫电池隔膜及其制备方法。

背景技术

以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的锂硫电池，由于硫元素材料理论比容量和电池理论比容量较高，分别达到1675mAh/g和2600mAh/Kg，远远高于目前商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(＜150mAh/g)，是一种有发展潜力的电池。而且单质硫在地球中储量丰富，价格低廉，对环境基本没有污染。

不同于锂离子电池的离子脱嵌原理，锂硫电池的充放电过程是一种电化学机理。以硫为正极反应物质，锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变成锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极与负极反应的电势差即为锂硫电池。在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。硫电极的充电和放电反应较复杂，截止目前，对充放电过程中，产生的中间产物还没有明确的认识。在高压放电区域(2.4-2.1V)，单质硫被还原成高价态聚硫离子(Sn^2-，5≤n≤8)后，与Li+结合生成的高阶聚硫化物可溶于电解液，而在低压放电区域(2.1-1.5V)，高价态聚硫离子进一步被还原成低价态聚硫离子(Sn^2-，3≤n≤4)，其可溶于电解液，然后再还原成不溶于电解液的Li₂S₂、Li₂S。

虽然锂硫电池具有高容量、高比能量等优点，但是由于硫的导电性差、电池容量衰减快、自放电(所谓穿梭效应)、硫被锂化后体积膨胀等问题，造成锂硫电池活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差，严重制约着锂硫电池的发展。针对硫导电性差的问题，加入导电物质、如不同形式的碳材料，可以提高硫电极的导电性，并且利用碳材料高比表面积提供电极反应活性点，吸附多硫化锂，减少穿梭效应。而有些研究者，则通过对电解质的改性，比如采用固体电解质、凝胶电解质或在电解液中添加LiNO₃，离子液体等措施。以限制多硫化锂溶解和减少“飞梭效应”。虽然采用碳材料或者改性电解质能改善锂硫电池硫的导电性差、电池容量衰减快、自放电(所谓穿梭效应)等问题，但效果却不是很理想。

发明内容

本发明提出一种锂硫电池隔膜，该隔膜控制锂硫电池充放电时体积膨胀和减少“穿梭效应”。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种锂硫电池隔膜，包括基膜，所述基膜的一面设有掺氟聚合物的芳纶浆料，其另一面设有碳浆料。

优选地，按照重量百分数计算，所述掺氟聚合物的芳纶浆料主要由芳纶为5～45％、氟聚合物10～40％溶于溶剂40～75％制备而成。

优选地，所述芳纶选自间位芳纶纤维、间位芳纶浆粕、间位芳纶纤维前聚体中的一种或几种，所述氟聚合物选自聚偏氟乙烯共聚物与聚偏氟乙烯均聚物中的一种或者两种，所述溶剂为二甲基乙酰胺。

优选地，按照重量百分数计算，所述碳浆料主要由碳材料15～40％、表面活性剂0.1～10％溶于溶剂35～80％制备而成。

优选地，所述碳材料选自碳纳米管、纳米碳纤维、多孔碳材料、石墨烯、膨胀石墨中的一种或几种；所述表面活性剂选自十二烷基磺酸钠、烷甲基酚聚氧乙烯醚、十六烷基三甲基溴化铵、环糊精、聚乙烯基吡咯烷酮、月桂酰-N-甲基氨基乙酸钠中的一种或几种；所述溶剂选自丙酮。

优选地，所述基膜为干法单向拉伸隔膜、干法双向拉伸隔膜、湿法隔膜或三层PP/PE/PP复合隔膜。

优选地，所述基膜的厚度为7～50μm，孔隙率20～50％，平均孔径为0.03～1微米。