[发明专利]一种锂硫电池聚合物阻隔层材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种锂硫电池聚合物阻隔层材料及制备方法，配制1‑3mg/ml聚丙烯腈的N，N‑二甲基甲酰胺溶液，采用静电纺丝的方法制备碳纳米纤维前驱体膜；将前驱体膜置于氮气中800‑1000℃碳化形成碳纳米纤维膜；将天然的聚合物阿拉伯树胶溶解于水中制备溶液；直接将阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上形成碳纳米纤维‑阿拉伯树胶复合膜；将上述复合膜60‑80℃真空干燥16‑24h，其厚度在17‑25μm，质量在0.18‑0.36mg/cm²。本发明实现了对锂硫电池循环250次之后保持了94％容量的优异循环性能，缓解了多硫化锂的“穿梭效应”问题，同时电池也表现出优异的反自放电能力。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池聚合物阻隔层材料及制备方法，属于电化学储能技术领域。

背景技术

随着电动汽车、便捷式电子设备以及智能电网等的高速发展，寻求高能量密度的储能系统是满足市场需求的必经之路。锂硫电池具有极高的能量密度(2600Wh/kg)，并且硫具有在地球上储量丰富、价格低廉以及环境友好等优点，因此受到了研究者们广泛的关注。然而，锂硫电池中存在的几个严重的问题阻碍了其实际应用：1.硫单质及其最终放电产物硫化锂均为电子的不良导体，一方面造成正极活性物质利用率低和倍率性能差等问题，另一方面使正极的硫含量和硫载量无法提升，大大地降低了锂硫电池高能量密度的优势。2.由于硫单质和硫化锂之间的密度差异，电池充放电过程中产生的体积膨胀(80％)造成正极结构崩塌或极片上的活性物质脱落降低了电池的使用寿命。3.硫放电的中间产物多硫化锂(Li₂Sn,4≤n≤8)溶于电解液中造成的“穿梭效应”严重损害了电池的循环性能和库伦效率，这个问题在高硫载量的电极中尤其明显。

解决上面的问题一个重要的思路就是开发功能性隔膜或者阻隔层，在目前已有的技术中，有人把碳纳米管膜作为阻隔层置于正极和隔膜之间，通过物理阻挡将多硫化锂阻隔在正极一侧，缓解了“穿梭效应”；有人将一些极性的金属化合物(MnO₂,Ti₄O₇,TiO₂等)和碳材料复合作为功能化涂层或者阻隔层，通过物理阻挡和化学吸附多硫化锂的协同效应大大提升了锂硫电池的性能；也有人通过空间位阻或者静电排斥等原理阻止多硫化锂靠近隔膜，进一步缓解了“穿梭效应”。尽管如此，锂硫电池离实际应用还有很远的距离，因为上述的方案技术大多实施复杂、原料昂贵，并且很难解决循环寿命与高硫载量之间的矛盾(高的硫载量意味着电池会产生更为严重的“穿梭效应”、自放电等问题，造成电池的循环寿命不断降低)。

发明内容

本发明针对已有技术存在的问题，提出一种锂硫电池聚合物阻隔层的制备方法；聚合物采用天然的阿拉伯树胶。

本发明旨在解决多硫化锂的“穿梭效应”以及目前已有技术中高硫载量与循环寿命之间的矛盾、操作复杂以及原料昂贵等问题。

为实现以上目的,本发明采用的技术方案是：

一种锂硫电池聚合物阻隔层，在碳纳米纤维上直接滴加阿拉伯树胶溶液，而铸造的碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜。

本发明的锂硫电池聚合物阻隔层的制备方法，其特征是步骤如下：

(1)配制聚丙烯腈的N，N-二甲基甲酰胺溶液，采用静电纺丝的方法制备聚丙烯腈膜前驱体；

(2)将上述聚丙烯腈膜前驱体置于氮气中800-1000℃碳化形成碳纳米纤维膜；

(3)将天然的聚合物阿拉伯树胶溶解于水中，制备成溶液；

(4)按碳纳米纤维膜与阿拉伯树胶质量比等于2-1:1的比例，直接将阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上形成碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜；

(5)将上述复合膜60-80℃真空干燥16-24h，得到碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜。