[发明专利]一种具有电催化功能隔膜的制备方法及其在锂硫电池中的应用

说明书

本发明属于锂硫电池技术领域，涉及一种具有电催化功能的隔膜及其制备方法和应用。所述隔膜是由商用聚合物隔膜基体及涂覆在隔膜基体一侧表面的电催化功能修饰层组成，其中：所述电催化功能修饰层包括粘结剂、导电剂和电催化剂；所述电催化剂为石墨烯和杂原子掺杂的MoS₂组成的三维多孔复合物。石墨烯构建的三维多孔结构可以通过物理作用吸附大量溶解在电解液中的多硫化锂；杂原子掺杂的MoS₂具有丰富的界面缺陷、极性和电催化活性，可高效化学吸附多硫化锂并催化多硫化锂的电化学转化，抑制锂硫电池的“穿梭效应”，提升高硫载量锂硫电池的可逆容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学储能电池领域，具体涉及一种具有电催化功能的隔膜、其制备方法及其在锂硫电池中的应用。

背景技术

锂硫电池是受到科学界和产业界寄予厚望的锂二次电池体系之一。锂硫二次电池以金属锂为负极，单质硫为正极，其理论比容量为1675mAhg^-1理论能量密度为2600Whkg^-1，实际能量密度目前也能高达400Whkg^-1，且高比能高比功的同时成本低廉、环境友好。但是，锂硫二次电池存在硫活性物质利用率低、电化学可逆性差以及容量衰减快等缺陷，目前还是制约锂硫电池发展的关键瓶颈。

对于锂硫二次电池，其硫正极材料存在的主要共性技术问题如下：(1)单质硫和放电产物硫化锂Li₂S的本征电导率都极低，使得活性物质利用率低；(2)单质硫在充放电过程中形成的中间产物多硫化锂Li₂S₈、Li₂S₆和Li₂S₄易溶于电解液，造成活性物质流失；(3)多硫化锂的电化学反应速率缓慢和电化学活性低；(4)在浓度梯度的作用下，溶于电解液的多硫化锂穿过隔膜与金属锂负极直接接触，形成“穿梭效应”，导致循环性能差和自放电率高；(5)单质硫充放电过程中产生较大的体积膨胀和收缩效应(体积增加超过80％)，造成电极的物理结构破坏，导致电化学可逆性差。

为了克服以上缺陷，提高硫正极的可逆容量和循环性能，目前采用的方案主要为：硫正极复合化、锂负极保护、阻挡层添加、隔膜修饰、电解液和粘结剂改性。其中，隔膜修饰，即将修饰材料涂覆在隔膜基体表面一侧，是一种较为有效提高电池性能的方案。目前，国内外研究者们对包括多孔炭、炭纳米管和石墨烯等炭类修饰材料进行了不同角度的尝试。归纳此类炭类修饰材料的共性特点在于：炭质材料的高导电性能够增强电子传导；炭质材料的吸附作用能够缓解多硫化锂的溶出扩散问题。然而，非极性的炭材料只能通过较弱的物理作用吸附极性的多硫化锂，固硫作用有限。特别是当硫负载量较高时，多硫化锂的电化学转化速率缓慢、在硫正极区域富积并产生较大的浓度梯度，多硫化锂在高浓差作用下很容易扩散穿过隔膜，产生“飞梭”效应。因此，目前这种以吸附或者“围堵”多硫化锂为主的策略，难以从根本上改善多硫化锂的飞梭问题。隔膜修饰材料的结构性能依然需要强力提升。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种具有电催化功能的隔膜及其制备方法和在锂硫电池中的应用。所述隔膜是由商用聚合物隔膜基体及涂覆在隔膜基体一侧表面的电催化功能修饰层组成，其中：所述电催化功能修饰层包括粘结剂、导电剂和电催化剂；所述电催化剂为石墨烯和杂原子掺杂的MoS₂组成的三维多孔复合物。所述制备方法为：首先将石墨烯、钼源、硫源和含掺杂元素的前驱体在水溶液中均匀混合，通过水热法在石墨烯表面原位生长杂原子掺杂的MoS₂纳米片，同时进行三维结构组装；然后将粘结剂、导电剂和电催化剂均匀涂覆在隔膜基体一侧表面，制得具有电催化功能的锂硫电池隔膜。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种具有电催化功能的隔膜，其特殊之处在于：所述电催化功能隔膜是由商用聚合物隔膜基体及涂覆在隔膜基体一侧表面的电催化功能修饰层组成。