[发明专利]孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜

说明书

本发明提供了一种孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜。所述的孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维隔膜，其特征在于，制备方法包括：采用静电纺丝的方法制备得到聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维；通过乙醇蒸汽处理，得到孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维。本发明制备的复合材料具有纤维形貌完整，孔径结构分布均一等特点。聚丙烯腈能起到复合纳米纤维骨架作用，聚丙烯酸则作为复合纳米纤维的结构调控物质，该复合纳米纤维隔膜具有环保高效、孔径和孔隙率精确调控、物理化学性质稳定等优点。

技术领域

本发明属于复合纳米纤维技术领域，具体涉及一种孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜的制备及其应用。

背景技术

锂硫(Li-S)电池具有超高的理论比容量(1672mAh g^-1)和能量密度(2600W h kg^-1)，且硫的储量丰富、价格低廉、环境友好，已成为最具吸引力的新型电池系统之一。锂硫电池中，硫的多电子反应本征特性带来了电极材料的高容量特点，但也同时导致锂硫电池系统存在更多的复杂性。硫电极在充放电过程中产生可溶的多硫化物，一方面导致高阶多硫化物跨隔膜扩散与金属锂负极直接反应生成低阶多硫化物带来锂硫电池的副反应循环，也即“穿梭效应”，降低锂硫电池的库伦效率；另一方面也导致含硫组分的损失，使电池性能发生快速衰减。

隔膜系统是电池中的核心组件之一，其作用是防止电池正负极直接接触发生短路；同时，通过隔膜中的孔道结构保持正负极两侧的电解液联通，维持正负极之间的离子通道。目前市场上的锂硫电池隔膜主要是以聚乙烯、聚丙烯为主的聚烯烃类隔膜，这些隔膜的化学性质较为稳定，但是对多硫化物的穿梭并没有起到较好的抑制作用，因而将不可避免地产生容量衰减和循环稳定性差的缺陷。

聚丙烯腈(PAN)是一种常用的制备聚合物纳米纤维的原料，其具有较为稳定的化学性质和耐腐蚀性，并且不溶解于乙醇。聚丙烯酸(PAA)能够溶解于乙醇中，且其分子链中带大量羟基，羟基会对多硫化物起到化学吸附的作用，因而能对多硫化物的穿梭起到一定的抑制作用。基于此背景，我们结合静电纺丝和乙醇蒸汽处理的实验方案，提出了基于聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维隔膜的孔径和孔隙率调控策略：以聚丙烯腈作为纳米纤维骨架，聚丙烯酸作为结构调控物质和多硫化物的吸附物质，来设计优化锂硫电池隔膜的结构，既保障电池内部锂离子的高效传输，又能对多硫化物的穿梭起到一定的抑制作用，从而提高锂硫电池的性能和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、电化学性能优异的孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维隔膜及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜，其特征在于，其制备方法包括：采用静电纺丝的方法制备得到静电纺聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维膜，通过乙醇蒸汽处理，得到具有孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜。

优选地，所述的静电纺聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维膜中纤维直径为0.4-0.8微米，孔隙率为80％-91％，纤维膜孔径分布为0.4-1.9微米。

优选地，所述的孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜的纤维直径为0.4-1.2微米，孔隙率为20％-37％，纤维膜孔径分布为0.2-1.4微米。

本发明还提供了一种孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1：将聚丙烯腈和聚丙烯酸溶于N，N-二甲基甲酰胺中，得到混合纺丝液；进行静电纺丝，得到静电纺聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维膜；

步骤2：在容器中加入乙醇并进行加热，将所得的静电纺聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维膜置于所述容器的上方，用热蒸发出来的乙醇蒸汽处理所述的复合纳米纤维膜，再进行干燥，最后得到具有孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜。