[发明专利]改善锂硫电池性能的功能隔膜及包含该功能隔膜的锂硫电池

说明书

本发明属于电化学领域，具体涉及一种应用于改善锂硫电池电化学性能的功能隔膜，通过在隔膜上涂覆金属铜及导电剂等，从而构成与多硫离子反应并使其稳定为正极活性材料的功能隔膜，可以大幅度提高锂硫电池的循环稳定性，此外，该功能隔膜的构筑仅通过高度商业化的涂覆、溅射等方法就可以实现，制备过程操作简单，非常适合大规模生产应用。

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种应用于改善锂硫电池电化学性能的功能隔膜，本发明还涉及包含上述功能隔膜的锂硫电池。

背景技术

目前，在数码产品和电动汽车中广泛使用锂离子电池是综合性能最好的动力电池，但其比能量密度低的瓶颈难以满足未来轻型化、大容量、长续航的电子设备、电动汽车、无人飞机等技术发展要求。因此开发具有更高比能量的二次电池，成为国际社会面临的共同挑战。锂硫电池的理论比能量高达2600Wh/kg，实际比能量已超过350Wh/kg，被认为是继锂离子电池后最接近商业化的高比能量二次电池体系。锂硫电池的正极活性物质(单质硫)价格低廉、来源广泛、环境友好，成为继锂离子电池之后最具发展潜力的储能体系之一。目前，美国、日本及欧洲的许多发达国家政府都在大力支持锂硫电池技术开发。

尽管已持续研发很长一段时间，锂硫电池仍然存在的诸多问题阻止了其商业化，主要是由于充放电过程中，正极硫单质的中间产物——多硫化锂在电解液溶解并迁移，从而在金属锂负极反应，即“穿梭效应”(Shuttle mechanism)造成电池阻抗增加，并最终导致电池循环寿命较差和库伦效率较低。但是基于锂硫电池的液态反应类型，多硫离子的溶解不可避免且对锂硫电池十分必要。因此，如何限制多硫离子在正负极之间的穿梭就显得尤为重要。早期，研究者主要通过正极中导电碳结构、氧化物、聚合物电解质等固定或阻止可溶性多硫离子的迁移。但此类方法往往基于材料微观形貌的设计，难以大规模应用。

隔膜在电池中主要起到防止正负极接触并允许离子传导的作用，是电池重要的组成部分。目前，商品化的锂离子电池中采用的主要是具有微孔结构的聚烯烃类隔膜材料，如聚乙烯(Polyethylene，PE)、聚丙烯(Polypropylene，PP)的单层或多层膜。因此，通过在隔膜上修饰功能层实现离子选择性迁移也是解决锂硫电池正极产生的多硫离子穿梭的一种方法，比如通过形成石墨烯与金属-有机框架材料(Metal–organic framework，MOF)形成的自支撑复合结构作为隔膜材料，其中多孔MOF的孔道调控作用可以使锂离子通过，但半径较大的多硫离子则无法通过，从而有效抑制多硫离子的穿梭效应(Nature Energy，DOI:10.1038/NENERGY.2016.94)。但可以预料，无论是从正极侧多孔碳等的限域作用还是隔膜角度的离子筛分作用，这样的物理阻隔都会对电池所需要的正离子传输(锂离子)也产生阻碍，从而降低电池的功率密度，此外，其稳定性和效果还与微观结构构筑高度相关，从而大大降低了实际应用的可操作性。

发明内容

基于此，本发明提出通过在隔膜上涂覆金属铜及导电剂等，从而构成与多硫离子反应并使其稳定为正极活性材料的功能隔膜，可以大幅度提高锂硫电池的循环稳定性，此外，该功能隔膜的构筑仅通过高度商业化的涂覆、溅射等方法就可以实现，制备过程操作简单，非常适合大规模生产应用。

本发明的另一个目的在于提供一种包含上述功能隔膜的锂硫电池。本发明的还一个目的是提供一种上述功能隔膜在化学电源体系，尤其是在锂硫电池中的应用。

为实现上述目的，本发明具体实施方案如下：一种改善锂硫电池性能的功能隔膜，包括微孔有机隔膜基材，在所述微孔有机隔膜基材的表面涂覆有金属铜和导电剂复合层。