[发明专利]锂硫电池隔膜用涂层材料、隔膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂硫电池隔膜用涂层材料、隔膜及其制备方法。该涂层材料具有如下结构单元：，所述结构单元中的A、B、C、D、E、F、G、H分别独立地选自H或‑SOsubgt;3/subgt;H，并且A、B、C、D、E、F、G、H至少有一个为‑SOsubgt;3/subgt;H，所述涂层材料上接枝有石墨烯。本发明的涂层材料兼具高电子电导率及高离子电导率，能够促进硫正极向多硫化合物的转换，提高电池的容量和倍率；并且涂层材料还具有良好的吸附性，能够抑制多硫化合物的穿梭，提高电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池隔膜用涂层材料、隔膜及其制备方法。

背景技术

锂硫（Li-S）电池配备轻质锂负极和高丰度硫正极，它被认为是具有高理论能量密度和低成本的最有潜力的新型储能系统之一。一方面，金属锂因其高的理论容量（3860mAh/g）和低的氧化还原电位（-3.04V，相对于标准氢电极）被认为是可充电电池负极优选的候选材料。另一方面，低成本硫表现出超高理论容量，并且它可以与锂离子进行多电子转化反应，高丰度和无毒性的硫在商业应用中表现出更好的环境友好性和更具吸引力的成本优势。因此具有高理论比能量（2600 Wh/kg）和低成本的Li-S电池成为备受瞩目的新型储能器件。

虽然锂硫电池被认为是改变锂离子电池现状和实现大规模储能应用最有前景的技术之一。然而Li-S电池商业进程还是面临一些问题，主要集中于硫正极的一些挑战，如：1、单质硫和放电产物Li₂S低电导率，不利于化学反应的进行，造成活性物质利用率低，导致最终电极的容量较低；2、在充电过程中硫正极形成的多硫化物的会迁移到负极处，极大降低了电池的使用寿命。目前文献中为了解决Li-S电池所面临的上述技术难题已经提出多种策略，这些策略主要分为以下几个方面：（1）设计硫正极主体结构，通过物理吸附或化学结合将多硫化合物（LiPSs）捕获在正极结构中；（2）通过对隔膜进行优化来构建缓解多硫化锂（LiPSs）扩散的屏障；（3）优化电解液体系来缓解 LiPSs 迁移。但是目前这些策略几乎都只能单一化解决某一种问题，无法同时简单高效的解决锂硫电池容量和寿命问题，因此需要找到一种合适的方案来同时提高锂硫电池的容量和使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高锂硫电池容量和使用寿命的涂层材料、隔膜及其制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种锂硫电池隔膜用涂层材料，所述涂层材料具有如下结构单元：

，所述结构单元中的A、B、C、D、E、F、G、H分别独立地选自H或-SO₃H，并且A、B、C、D、E、F、G、H至少有一个为-SO₃H，所述涂层材料上接枝有石墨烯。

优选地，所述涂层材料通过使端基为氨基的聚芳噁二唑预聚体与羧基化石墨烯在硫酸的存在下原位聚合而成。

进一步优选地，所述原位聚合的温度为100~150℃。

优选地，所述聚芳噁二唑预聚体通过联苯醚二甲酸和硫酸肼反应生成，所述羧基化石墨烯占所述联苯醚二甲酸和硫酸肼总质量的0.1~0.8%。

优选地，所述聚芳噁二唑预聚体的数均分子量为3000~5500 g/mol。

优选地，所述羧基化石墨烯的羧基含量为4~6%。

本发明的第二个目的是提供一种如上所述的涂层材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

步骤1、将联苯醚二甲酸、硫酸肼、发烟硫酸混合，在第一温度下反应，制备聚芳噁二唑预聚体，控制所述硫酸肼的投料摩尔量大于所述联苯醚二甲酸的投料摩尔量；

步骤2、将羧基化石墨烯与浓硫酸混合，配置成石墨烯分散液；