[发明专利]锂硫电池复合一体化隔膜及制备方法和锂硫电池

说明书

本发明提供了一种锂硫电池复合一体化隔膜及制备方法和锂硫电池，涉及锂硫电池技术领域。该锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，先采用静电纺丝技术制得聚酰胺酸纤维膜，再将聚酰胺酸纤维膜进行热亚酰胺化处理得到聚酰亚胺纤维膜，然后对聚酰亚胺纤维膜表面进行COsubgt;2/subgt;激光辐照，得到锂硫电池复合一体化隔膜；其中，COsubgt;2/subgt;激光辐照聚酰亚胺纤维膜，可诱导聚酰亚胺纤维膜表层碳化，且瞬态热冲击过程导致生成的多孔碳富含本征缺陷，进而构筑三维蓬松泡沫结构，而且所形成的多孔碳与底层的聚酰亚胺纤维膜无缝衔接，形成具有贯通发达的孔隙结构、高机械稳定性、高柔韧性和高耐热性的多孔碳与聚酰亚胺纤维膜复合的一体化隔膜。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，尤其是涉及一种锂硫电池复合一体化隔膜及制备方法和锂硫电池。

背景技术

隔膜作为锂硫电池的关键组件，不仅要保证电子绝缘性和锂离子通透性，还要能够阻挡多硫化物跨膜扩散、抑制穿梭效应。传统的锂硫电池隔膜主要为聚烯烃类隔膜，例如聚丙烯(PP)隔膜、聚乙烯(PE)隔膜以及多层复合隔膜(PP/PE两层复合隔膜或者PP/PE/PP三层复合隔膜)。这类隔膜具有良好的化学稳定性和高的孔隙率，但是对醚类电解液的润湿性差、吸液率低；而且热稳定性差，易引发安全问题。最可惜的是，多硫化物很容易在正负极之间穿梭，导致活性物质失活、电池容量快速衰退。

解决上述问题的一种有效方法是在隔膜的正极侧表面涂覆一层功能材料(比如导电碳材料、无机金属类材料)，通过空间限域和化学吸附作用将多硫化物限制在正极侧，还可以通过催化多硫化物转化进一步提高电池电化学性能。然而，该类改性隔膜制备过程繁琐、制备周期较长、成本较高，且粉末类功能材料需要借助粘结剂与隔膜复合，有涂覆不均、一致性较差、易脱落、界面阻力大等问题。另外，各种新型功能化隔膜(比如锂化Nafion膜，聚酰亚胺(PI)纤维膜、聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯(PAN/PMMA)共混纤维膜等)也被开发应用到锂硫电池中，通过隔膜孔径调控或静电吸附/排斥作用抑制穿梭效应。然而，这种静电作用成效有限，且已脱离正极的硫物种无法在绝缘隔膜上继续参与电化学反应，导致活性物质失活、电池容量降低。

有鉴于此，特提出本发明以解决上述技术问题中的至少一个。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，以缓解现有技术中存在的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种锂硫电池复合一体化隔膜，采用上述制备方法制得。

本发明的第三目的在于提供一种锂硫电池，包含上述锂硫电池复合一体化隔膜。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，包括以下步骤：

(a)提供聚酰胺酸纺丝液；

将聚酰胺酸纺丝液进行静电纺丝，得到聚酰胺酸纤维膜；

(b)将聚酰胺酸纤维膜在空气中进行热亚酰胺化处理，得到聚酰亚胺纤维膜；

(c)采用CO₂激光器对聚酰亚胺纤维膜的表面进行辐照，得到锂硫电池复合一体化隔膜。

进一步的，在本发明上述技术方案的基础之上，步骤(a)中，所述聚酰胺酸纺丝液中聚酰胺酸的质量分数为16.9-17.5％。

进一步的，在本发明上述技术方案的基础之上，所述聚酰胺酸纺丝液的制备方法包括以下步骤：

将二元胺、二酐和溶剂混合使发生反应，得到聚酰胺酸纺丝液；

优选的，所述二元胺包括4,4’-二氨基二苯醚、对苯二胺或2,2’-二(三氟甲基)二氨基联苯中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为4,4’-二氨基二苯醚；