[发明专利]一种自支撑锂硫电池功能性隔层及其制备方法

说明书

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种自支撑锂硫电池功能性隔层及其制备方法。该隔层为硫化锌/氧化锌异质结空心纳米管‑碳布复合材料。该功能性隔层有效缓解了目前锂硫电池多硫化物“穿梭效应”明显，电池的电化学性能不稳定的缺陷。

技术领域

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种自支撑锂硫电池功能性隔层及其制备方法。

背景技术

随着当今世界对新能源的迫切要求，越来越多的清洁能源应用于电力和动力设备中。锂硫电池具有轻便、高比能、环境友好以及可循环使用等优点，成为众多储能设备的首选。单质硫作为锂硫电池的正极材料，理论容量达到1675mAh/g，理论能量密度可达到2600Wh/kg，在以后锂电池的发展中具有重要地位。但是由于单质硫及其充放电过程的中间产物导电性差；多硫化物在反应过程中存在穿梭效应等问题，导致现有正极材料的利用率一直处于较低的水平，直接影响锂硫电池的实际应用。

为了解决锂硫电池的上述缺点，除了硫正极和锂负极改进的飞速发展，改性隔层材料也得到了广泛关注。改性隔层放置于正极和隔膜中间，能起到物理性或化学性固定多硫化物，避免其穿梭的作用，如此便提高了正极活性物质的利用率，从而使锂硫电池的整体性能得到提升。Sheng-Heng Chung等人(Sheng-Heng C,Arumugam M.High-PerformanceLi-S Batteries with an Ultra-lightweight MWCNT-Coated Separator[J].Journal ofPhysical Chemistry Letters,2014,5(11):1978.)使用MWCNT(多壁碳纳米管)来修饰隔膜，使隔膜具有双功能性，将其利用在锂硫电池中，电池性能得到很好地提升。Shaibani等(Shaibani M,Akbari A,Sheath P,et al.Suppressed Polysulfide Crossover in Li–SBatteries through a High-Flux Graphene Oxide Membrane Supported on a SulfurCathode[J].Acs Nano,2016,10(8))采用高度卷曲的氧化石墨烯(GO)通过剪切方法将盘状液晶GO直接涂覆在预先涂好的硫正极表面制备出有序排列的GO膜涂覆正极隔层。结果表明，经涂覆的正极首次放电容量分别为1063mAh/g(含硫质量分数70％)和1182mAh/g(含硫质量分数80％)，循环100次后电极容量为835mAh/g。由此可见，在锂硫电池中添加功能性隔层能够有效提升电池的整体电化学性能，是一种切实可行的方法。

目前锂硫电池多功能性隔层可以分为碳基隔层和非碳基隔层两大类。碳材料具有导电性好、易成膜、可调节孔隙结构和表面性能等优势，采用碳材料对隔膜进行改性可以有效地防止多硫化物向锂负极的扩散；不同的碳材料包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳纸和多孔碳等，在改性隔膜中产生不同的功能，碳纳米管和石墨烯构筑的功能性隔膜具有良好的导电性，可以促进正极区域沉淀的惰性硫再利用。具有大量介孔的多孔碳可以物理吸附多硫化物。

但是如果进一步抑制多硫化物扩散，只用物理方法阻隔还远远不够，含有大量改性基团如杂原子掺杂碳的改性隔膜通过所产生的静电吸引或排斥作用可以限制多硫化物的扩散。金属氧化物如V₂O₅、Al₂O₃、SnO₂、TiO₂等可以用来制备改性隔膜/隔层，主要是因为金属氧化物具有更好的热稳定性和力学性能，亲水特性可以改善隔膜表面的浸润性，改善在电解液中的吸收特性并且影响多硫化物的扩散，进而提高锂硫电池的电化学性能。另外金属氧化物还以自身吸附多硫化物的特性来阻止多硫化物的穿梭效应，但是也不可避免地阻挡了锂离子的传递。因此在金属氧化物隔膜/隔层选材时，需要考虑抑制多硫化物的扩散平衡与调节锂离子的往复运动两者之间的关系。

由此可见，碳基隔层虽然可以提高材料导电性，但物理吸附对多硫化物的吸附较弱；而一般的金属氧化物功能性隔层，虽可以有效吸附多硫化物，但金属氧化物导电性较差，势必一定程度上阻挡锂离子的传输。