[发明专利]一种用于锂硫电池的相变隔膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于锂硫电池的相变隔膜及其制备方法，包括：在油水体系中界面组装了金属有机框架MOF和黑磷BP的复合体MOF/BP异质结；将聚丙烯腈PAN溶液和石蜡PW溶液通过同轴静电纺丝技术制备出核壳结构的纳米纤维膜PPW；将所述MOF/BP异质结粉末分散于去离子水中形成MOF/BP异质结分散液，将MOF/BP异质结分散液通过真空抽滤的方法沉积在所述纳米纤维膜PPW上，真空干燥即得PPW/MOF/BP相变隔膜。即得到用于高安全和高性能锂硫电池的相变隔膜材料。本发明通过相变纳米纤维隔膜来提高锂硫电池的安全性能，通过MOF/BP异质结来抑制锂硫体系中的“穿梭效应”，提高电池的循环性能，从而构建高安全和高性能的锂硫电池。

技术领域

本发明属于材料合成技术领域，涉及一种用于锂硫电池的相变隔膜及其制备方法。

背景技术

随着新兴市场应用对更高能量密度二次电池的需求，尤其是混合动力交通工具(PHEV)及纯电动交通工具(PEV)等领域需要二次电池的能量密度要达到300Wh kg^-1。

锂硫电池由于理论能量密度达2600Wh kg^-1，更接近实用化、资源丰富、价格低廉和环境友好等优点而被广泛研究。

然而，阻碍当前锂硫电池发展的主要问题是：单质硫正极在充放电过程中会形成可溶性的多硫化物中间产物，多硫化物在电解液中的持续溶解与扩散，将使其透过隔膜在锂负极表面不断沉积，亦称之为“穿梭效应”，从而造成电池内部阻抗增加，活性物质硫损失以及电化学性能急剧下降，因此抑制多硫化物的“穿梭效应”成为提高当前锂硫电池综合性能的关键所在。同时电池在运行过程存在燃烧爆炸的安全隐患，也使得锂硫电池难以应用于实际生活中。

发明内容

目的：为了克服现有技术中的不足，解决现有商用隔膜存在的安全隐患以及无法抑制锂硫电池中“穿梭效应”的问题，本发明提供一种用于锂硫电池的相变隔膜及其制备方法，以提高锂硫电池的安全和性能。

黑磷(BP)是热力学最稳定磷的同素异形体，电阻率低，介于0.48和0.77Ω·cm之间和超高的室温孔迁移率～1000cm² V^-1s^-1。BP也具有低密度2.69g cm^-3，良好的体积电导率～3S cm^-1，高的锂离子扩散常数以及和硫元素有较高的结合能。这些性质表明BP具有化学结合多硫化锂的能力，同时其高的导电性和高的锂离子扩散常数能有效促进多硫化锂转换为硫化锂的反应动力学。文献也验证了黑磷具有高效吸附并转换多硫化锂的优异性能。然而，黑磷在空气中容易被氧化和分解，限制了它在锂硫电池中的应用。有机金属框架MOF作为一种多孔材料，固定的孔径可以提供锂离子传输的快速通道和均匀沉积，同时可以通过物理屏障的作用来阻隔多硫化锂的穿梭，在锂硫电池中也得到了广泛的应用。然而，大部分MOF导电性较差，而且对于多硫化锂转化动力学的催化能力较弱，不利于提高电池的电化学性能。综上所述，将黑磷和MOF结合起来是一种有效弥补两者不足的办法，黑磷表面的MOF可以起到阻隔氧的作用，提高黑磷的空气稳定性，而且黑磷的高电导率和高催化能力也可以提高MOF在锂硫电池中的应用。

本发明制备方法(1)发展了一种在油水界面自组装制备MOF/BP异质结的方法，从而解决BP在空气中容易被氧化的问题。(2)发展了一种以聚丙烯腈PAN为壳，石蜡PW为核的纳米纤维相变隔膜PPW，提高了电池运行的安全性能。(3)最后得到的PPW/MOF/BP相变隔膜，能有效抑制多硫化锂的“穿梭效应”，实现了高安全和高性能的锂硫电池，有广阔的应用前景。

技术方案：本发明采用的优选技术方案为：

根据本发明的第一方面，提供一种相变隔膜的制备方法，包括：

步骤(a)MOF/BP异质结的制备：在油水体系中通过界面组装形成金属有机框架/黑磷(MOF/BP)异质结，洗涤、干燥得到MOF/BP异质结粉末；