[发明专利]一种锂硫电池复合隔膜及其制备方法

说明书

一种锂硫电池复合隔膜及其制备方法，它涉及一种电池复合隔膜及其制备方法。本发明的目的是要解决现有锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应，导致锂硫电池循环寿命变差、库仑效率降低和容量迅速衰减的问题。方法：一、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶；二、制备碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的隔膜。一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶为三维蓬松多孔的气凝胶结构，具有大比表面积、多级层次孔结构和大孔隙率。本发明工艺巧妙、加工设备价格低廉、程序和方法简单，成本低，有利于大规模工业化生产。本发明可获得一种锂硫电池复合隔膜。

技术领域

本发明涉及一种电池复合隔膜及其制备方法。

背景技术

锂硫(Li-S)电池是锂电池的一种。Li-S电池通常由正极、隔膜、有机电解液和负极四部分组成，其中隔膜的作用是阻隔正负极，以避免短路。典型的锂硫电池一般采用单质硫作为正极，金属锂片作为负极。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675m Ah/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(150mAh/g)约为当前最先进锂离子电池的3-5倍，有机会在能量储存方面实现量子飞跃，解决当前能源短缺的问题。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池。锂硫电池的反应机理不同于锂离子电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理，与S的双电子氧化还原反应(S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S)有关。简单来说，在放电过程中，Li负极被氧化释放出电子并产生Li⁺，然后正极S₈分子与迁移过来的Li⁺和电子发生反应，先被还原成可溶性的液态多硫化物(LiPSs)，再随着放电的进行，最终被还原成不溶性固态Li₂S₂/Li₂S。充电过程与之相反，则是Li₂S₂/Li₂S失去电子被逐步氧化成环状S₈分子。反应的中间产物锂多硫化合物Li₂S_n(n＝3～8)会溶解到有机电解液中，能在正负极之间迁移，从而导致穿梭效应。这种穿梭效应使得电池循环寿命变差、库仑效率降低，容量迅速衰减，是限制锂硫电池发展和实际应用的主要原因。针对这一问题，本发明选择从隔膜方面加以改进。

隔膜在Li-S电池中起着不可或缺的作用，它充当着电子绝缘体和离子导体的角色，能够将正极和负极分隔开，防止电池短路。目前锂硫电池通常采用商业化的微孔聚丙烯(PP)膜作为隔膜，其优点是成本低、机械稳定性好、电化学稳定性强并且孔隙率高。但其缺点是：润湿性低、电解液保液性差、离子电导率低、无锚定多硫化物作用等。而且PP隔膜孔径一般为～100nm，而可溶性LiPSs的平均尺寸仅为几纳米。在电池循环过程中，LiPSs可轻松通过高孔隙的聚烯烃隔膜扩散到金属Li负极，导致严重的穿梭效应。

发明内容

本发明的目的是要解决现有锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应，导致锂硫电池循环寿命变差、库仑效率降低和容量迅速衰减的问题，而提供一种锂硫电池复合隔膜及其制备方法。

一种锂硫电池复合隔膜为碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶修饰的聚丙烯膜；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶为三维蓬松多孔的气凝胶结构，具有大比表面积、多级层次孔结构和大孔隙率，比表面积高达85.0m²g^-1，孔隙率可达0.32cm³g^-1，碳纳米管是直径为5nm～50nm，壁厚为2nm～20nm，碳纳米管均匀地分散在碳化钛纳米片之间，质量百分数为5％-60％；同时，碳化钛纳米片形成很多褶皱结构；碳化钛纳米片的(002)晶面间距为17.03nm；所述的碳化钛纳米片/碳纳米管复合气凝胶在聚丙烯膜上的负载量为0.1～5mg/cm²。