[发明专利]一种锂硫电池正极与隔膜一体化结构及其制备方法

说明书

本发明提供一种锂硫电池正极与隔膜一体化结构及其制备方法，属于锂硫电池技术领域。发明提供一种隔膜与正极一体的新型结构，该结构具有纳米纤维状的隔膜直接覆盖在正极表面，使在电池制备中，由原来需在隔膜两面滴加电解液减少为仅需滴加在一次电解液，大大降低了电解液的用量，从而降低了E/S，提升电池的能量密度；基于本发明一体化结构组装的扣式CR2025电池，E/S可降低至5。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种锂硫电池正极与隔膜一体化结构及其制备方法。

背景技术

目前世界能源90％以上来源于煤炭、石油和天然气等化石能源，然而化石能源的过度消耗会引发温室效应等环境问题；同时，作为不可再生能源，大规模的消耗必然导致资源的枯竭。因而太阳能、风能等清洁能源引起了广泛关注，但是这些能源的利用需要匹配合适的储能系统。在众多的电化学储能体系中，Li-S电池是一种新型能源存储系统，其具有远高于目前商业化锂离子电池的理论比容量(1675mAhg-1)和能量密度(2500Whkg-1)，引起了广泛关注。此外，硫具有价格低廉、自然储量丰富(几乎占地球质量的3％)及环境友好无污染等众多优点，因此，使得Li-S电池成为低成本且极具吸引力的储能技术。

Li-S电池的研究始于二十世纪六十年代，经过几十年的发展，科研工作者们针对锂硫电池中的三大主要问题：“穿梭效应”、充放电循环过程中的体积膨胀问题、硫单质及其聚硫化锂的导电性差的研究已经取得较大进展，使得电池的容量以及循环性能等得到很大提升。但是，其中仍存在一个重大的问题，阻碍着Li-S电池商业化，即E/S(电解液与硫含量之比)值的大小：E/S越大，则能量密度越低；若E/S超过20时，计算得到的能量密度，就与现有的三元锂离子电池相比没有太大优势。因此如何才能降低E/S，更充分地利用电解液，是当下锂硫电池研究中亟待解决的问题。

针对这个问题，目前的解决思路一般有两种：(1)采用多硫离子溶解性低或不溶解的电解液，将单质硫的电荷转移与多硫离子的溶解过程分开，然而这类电解液由于其对多硫离子较低的溶解度，室温下难以满足离子的有效传输，其反应动力学较差；(2)采用具有高介电常数的电解液，促进多硫化物的溶解，可以大大加快电化学反应动力学。然而，这种电解液需要在锂负极表面形成一层良好的SEI膜来抑制穿梭效应，而常用的高介电常数电解液对锂不稳定，锂负极侧的副反应限制了这种电解液的广泛使用。

以上的解决思路都是通过对电池的组成物质进行改性研究，但还没有针对电池结构本身进行改进以解决E/S值的措施。目前的锂硫电池的结构都是以正极、隔膜、电解液和负极单个组成，扣式电池的组装顺序通常为：负极壳-负极-电解液-隔膜-电解液-正极-垫片及弹片-正极壳，电池需要隔膜两侧需要分别滴加电解液。

发明内容

针对背景技术所存在的现有电池结构下E/S比例较大的问题，本发明的目的在于提供一种锂硫电池正极与隔膜一体化结构及其制备方法，本发明通过在常用电池正极上直接静电纺丝制备具有纳米纤维网状结构的隔膜，使得电解液能够通过隔膜与电池正极接触，减少现有技术中隔膜与正极之间需滴加电解液的工艺步骤，从而降低E/S的值。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种锂硫电池正极与隔膜一体化结构，包括正极和采用静电纺丝法直接生长于正极表面的隔膜，所述隔膜具有纳米纤维网状结构，其中，隔膜面积大于正极面积，隔膜厚度为30μm～70μm。

一种锂硫电池正极与隔膜一体化结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将聚丙烯腈(PAN)溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中，在40～60℃水浴下搅拌2～4h，得到静电纺丝前驱液，其中，PAN在前驱液中的质量分数为10～20％；

步骤2：将聚偏氟乙烯(PVDF)溶于NMP中，研磨5～10min，得到粘性稠液，将锂硫电池正极用黏性稠液粘附在铝箔上，得到静电纺丝接收基底；