[发明专利]一种应用于锂硫电池隔层的丝素基纳米碳纤维膜的制备方法

说明书

本发明涉及储能体系器件材料，特别涉及一种应用于锂硫电池隔层的丝素基纳米碳纤维膜的制备方法。本发明将再生丝素与助纺剂如聚氧化乙烯混合，充分搅拌，通过静电纺丝，高温碳化，得到丝素基纳米碳纤维膜。所制得的蚕丝基碳纳米纤维作为锂硫电池正极能有效改善硫正极的导电性，作为负极隔层能抑制锂枝晶的生长，防止电池发生短路。这种丝素基碳纳米纤维隔层能有效提高锂硫电池电化学性能。

技术领域

本发明涉及储能体系器件材料，特别涉及一种应用于锂硫电池隔层的丝素基纳米碳纤维膜的制备方法。

背景技术

由于经济的发展和生活方式的进步，对能源的需求随着时间的推移而稳步增长。随之而来的化石能源使用增加，与其相关的环境污染问题也日益严峻。为缓解污染问题并减少对化石燃料的依赖，需要开发和采用可再生能源的替代技术，如太阳能、风能等。然而，太阳能、风能属于间歇性可再生能源，难以持续且稳定的提供电力。因此，对可再生能源产生的电力进行有效和经济的储存则显得至关重要。可充电电池是最佳的电能储存系统之一。锂离子电池具有较高的能量密度，在便携式电子产品领域扮演着及其重要的角色。目前的锂离子电池技术是基于锂离子在电极材料上的嵌入和脱嵌，这限制了电荷的储存能量和电池的能量密度，目前商业钴酸锂电池容量极限为150mAh g^-1，这远远无法满足现今便携式电子设备、电动汽车等产品的能量需求。因此，需要克服嵌入/脱嵌式复合电极的电荷储存限制，开发更高容量的电极材料来实现能量密度的进一步提高。

硫是地壳中含量最丰富的元素之一，具有1675mAh g^-1高理论比容量和2600Wh kg^-1的理论比能量，而且硫价格低廉、无毒、没有环境污染。硫的高容量是基于硫与硫化锂可逆的化合反应，每个硫伴随着两电子的转移，高于过渡金属一个或更少的电子转移。因此，锂硫电池是一种非有前景的可充电电池。尽管如此，锂硫电池的商业化生产仍受到挑战，主要有以下几个原因：(1)硫和硫化物均为绝缘物质，导致高极化和低硫利用率；(2)在充放电过程中的产物会溶解于有机电解液中，进一步导致硫物种的损失；(3)完全的充放电循环，伴随着80％的体积膨胀，导致活性物质脱离集流体，破坏电极结构，并导致快速容量衰减和低库伦效率。除了硫正极以外，Li负极因其高反应活性极易产生枝晶。这些枝晶生长到一定程度后会刺穿隔膜，使正负极接触，发生短路，从而引发安全问题。

一种有效方法是将活性材料封装在导电框架，例如核壳纳米结构电极、纳米碳-硫复合电极以及导电高分子-硫复合电极。除了通过电极设计来封装活性物质外，在电极(正极和负极)和隔膜之间添加自支撑的高导电、高比表面积碳纳米纤维膜也是一种提高锂硫电池性能的有效手段。在锂硫电池正极和隔膜间添加碳纤维隔层，作为物理屏障限制多硫化物迁移，提高硫利用率；在负极和隔膜间添加纳米碳纤维膜，可有效抑制锂枝晶的生长，防止锂硫电池发生短路。

发明内容

本发明提供一种应用于锂硫电池隔层的丝素基纳米碳纤维膜的制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种应用于锂硫电池隔层的表面微氧化纳米碳纤维膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)丝素的制备：蚕茧经过脱胶，溶解，透析，干燥，静电纺丝制成丝素；

(2)纺丝液的配置：干燥的丝素与助纺剂混合后得到混合物，该混合物溶于甲酸中充分搅拌后得到均匀纺丝液；其中，助纺剂占所述混合物总重量的1-10％；

(3)丝素纳米纤维制备：将步骤(2)得到的纺丝液通过静电纺丝或离心纺丝制成蚕丝纳米纤维膜；

(4)丝素纳米碳纤维膜制备：将步骤(3)所获得的纤维膜在600-1000℃的温度范围内进行高温碳化，制得纳米碳纤维膜。