锂硫电池隔膜材料及其应用制造技术

本发明专利技术涉及锂硫电池隔膜材料及其应用，该隔膜材料是由催化剂、导电剂、粘结剂混浆涂覆于聚丙烯表面后干燥得到，是微米级的；催化剂是金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物或者是金属单质；导电剂是乙炔黑、科琴黑或碳纳米管；粘结剂是聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烯或聚丙烯酸。所述的导电剂与催化剂均为纳米级。该隔膜能够阻碍多硫离子向负极扩散，使多硫离子在其表面聚集，催化剂可以活化多硫离子，提高锂硫电池体系的实际比容量和循环稳定性。采用该锂硫电池隔膜材料制备的锂硫电池，具有性能高、寿命长、安全性高的特点。

【技术实现步骤摘要】
锂硫电池隔膜材料及其应用
本专利技术涉及一种功能隔膜及其在锂硫电池中的应用，属于电化学电池领域。
技术介绍
随着科技与社会的不断发展，人们对新能源的需求不断增加，如电动汽车、智能电网等新兴市场对新能源系统提出了较高的要求，特别是电动汽车领域要求动力电池能量密度达到500Whkg-1以上。但是，如今商业化的锂离子电池能量密度受到传统正极材料(LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等)和碳负极材料自身理论容量的限制，仅能达到150-200Whkg-1。350-400Whkg-1已接近锂离子电池能量密度的极限，很难进一步提高。对于动力电池而言，除了满足其动力性能，经济适应性也是一项重要考量，据美国先进电池联盟(theUSAdvancedBatteryConsortium)分析，电池包价格要降到$150(kWh)-1才能商业化应用，而目前锂离子电池包的价格在$400-600(kWh)-1。因此，探索开发新一代高能量密度和低成本的电池体系成为目前人们研究热点。锂硫电池的理论容量高达1675mAhg-1，能量密度2600Whkg-1，比传统的锂离子电池高一个数量级。此外，单质硫在自然界中储量丰富、价格低廉并且环境友好。所以锂硫电池高的理论能量密度和低成本，成为最具发展潜力的新一代高比能化学电池体系之一。但是，单质硫及其放电产物不导电，中间放电产物多硫化锂易溶于有机电解液以及锂金属的锂枝晶安全问题等都影响锂硫电池的电化学性能和实际应用。锂硫电池主要由正极材料、电解液、隔膜以及负极材料构成。隔膜作为锂硫电池的重要组成部分之一，其性能优劣对电池整体性能有着重要的影响，在充放电循环过程中，用于防止正负极接触而发生短路，并且允许锂离子进行自由迁移。作为隔膜材料须具备一定的多孔性、弯曲性、收缩性、润湿性和离子导电率，目前常用的锂硫电池隔膜大都为传统的烯烃类隔膜，主要是指聚丙烯(PP)微孔膜、聚乙烯(PE)微孔膜以及Celgard公司生产的多层复合隔膜(PP/PE两层复合或PP/PE/PP三层复合)，聚烯烃隔膜生产成本较低、孔径的尺寸可控，具有较好的化学和电化学稳定性以及良好的机械强度，但其厚度、强度、孔隙率难以兼顾，且其耐高温和耐大电流充放电性能差，应用到动力锂硫电池中存在巨大的安全隐患。同时，锂硫电池由于充放电反应过程的复杂性及电解液的多样性，传统的聚烯烃隔膜不能很好地抑制锂硫电池中间产物聚硫化物的扩散，因此，开发更高品质隔膜材料也成为改善锂硫电池整体性能重要方向之一。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种锂硫电池隔膜材料，采用该锂硫电池隔膜材料制备的锂硫电池，具有性能高、寿命长、安全性高的特点。为了实现上述专利技术目的，本申请采用了以下技术方案：锂硫电池隔膜材料，是由催化剂、导电剂、粘结剂混浆涂覆于聚丙烯表面后干燥得到，膜的厚度是微米级的，具体而言，膜厚度是5-10微米。所述的催化剂是金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物或者是金属单质；具体而言是二氧化钛、二氧化锰、氧化钴、氮化钛、二硫化钛或者铂。所述的导电剂是乙炔黑、科琴黑或碳纳米管。导电剂与催化剂的混合物与粘结剂的质量比是9：1；催化剂与导电剂质量比是7：2。较佳地，导电剂与催化剂均为纳米级。所述的粘结剂是聚偏氟乙烯（PVDF）、聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烯或聚丙烯酸中至少一种。本专利技术的隔膜能够从物理、化学两方面阻碍多硫离子向负极扩散，使多硫离子在其表面聚集，且隔膜表面负载的催化剂可以进一步活化利用低导电性的多硫离子，从而提高了锂硫电池体系的实际比容量和循环稳定性。此外，功能隔膜具有缓解锂枝晶穿刺能力，进一步提高锂硫电池的安全性。采用本专利技术的功能隔膜组装的锂硫电池，解决了常规锂硫电池差的循环稳定性、正极与隔膜的界面问题、金属锂安全隐患等问题。此外，该新型锂硫电池体系的原材料成本低廉，生产工艺简便，适合大规模工业化生产。附图说明图1为对比例1所组装常规锂硫电池示意图。图2为实施例1-11组装本专利技术隔膜的锂硫电池示意图。图3为实施例1和2得到的隔膜的SEM照片。图4为对比例1（图中PP）和实施例1,2所组装新型功能隔膜的锂硫电池的循环性能（0.5C）（实施例1对应PP+C65、实施例2对应PP+C65+TiO）。图5为对比例1中聚丙烯微孔膜Celgard2400（图5a-c）和实施例2中功能隔膜金属锂穿刺能力的对比。图6为对比例1和实施例1,7所组装新型功能隔膜的锂硫电池的循环性能（0.5C）。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方式进行进一步地说明，但不限制本专利技术的范围。对比例1以纯硫为正极活性物质，与导电剂乙炔黑、粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比6:3:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，搅拌均匀后涂布在集流体铝箔上，然后在60℃的真空干燥箱中干燥12h，作为正极材料。金属锂片作为负极,聚丙烯微孔膜Celgard2400为隔膜，采用1molL-1LiTFSI和0.2molL-1LiNO3/DOL+DME（二氧戊环和乙二醇二甲醚,体积比1:1）为电解液组装常规锂硫电池，如图1所示。该锂硫电池采用纯硫为正极材料，硫本身电子电导低，实际比容量低；随着放电的过程，硫转变成易溶于电解液的高价多硫化锂使得容量衰减，循环稳定性差。电流密度0.5C时,循环500圈后，放电比容量仅有176mAhg-1，如图4中PP。此外，充放电过程中，常规聚丙烯隔膜容易被锂枝晶穿过导致内短路，引起着火爆炸的安全隐患，如图5a-c。实施例1在集流体上涂覆硫正极材料的制备方法同对比例1。金属锂片作为负极,科琴黑和粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比9:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，搅拌均匀后涂布在聚丙烯微孔膜Celgard2400上，然后在60℃的干燥箱中干燥12h，作为功能隔膜。纳米级的科琴黑均一的负载聚丙烯微孔膜Celgard2400上，如图3a。功能隔膜的厚度为7.5um，如图3b。采用1molL-1LiTFSI和0.2molL-1LiNO3/DOL+DME（二氧戊环和乙二醇二甲醚,体积比1:1）为电解液组装功能隔膜的锂硫电池，如图2。涂覆科琴黑的功能隔膜能够物理阻碍锂硫电池放电产生的多硫化锂向负极扩散，减少“穿梭效应”的发生，缓减容量衰减的问题。在电流密度0.5C时，首次放电比容量为550mAhg-1,循环500圈后，放电比容量为332mAhg-1，如图4中PP+C65。实施例2在集流体上涂覆硫正极材料的制备方法同对比例1。金属锂片作为负极，纳米级二氧化钛、科琴黑和粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）按质量比7:2:1混合，以N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）为溶剂，搅拌均匀后涂布在聚丙烯微孔膜Celgard2400上，然后在60℃的干燥箱中干燥12h，作为功能隔膜。纳米级的二氧化钛复合材料均一的负载聚丙烯微孔膜Celgard2400上，如图3c。功能隔膜的厚度为7.5um，如图3d。钛、氧、碳均匀的分散在聚丙烯微孔膜Celgard2400上，如图3e-h。采用1molL-1LiTFSI和0.2molL-1LiNO3/DOL+DME（二氧戊环和乙二醇二甲醚,体积比1:1）为电解液组装功能隔膜的锂硫电池，如图2。纳米级二氧化钛功能隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂硫电池隔膜材料，是由催化剂、导电剂、粘结剂混浆涂覆于聚丙烯表面后干燥得到，膜的厚度是微米级的；催化剂是金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物或者是金属单质；导电剂是乙炔黑、科琴黑或碳纳米管；粘结剂是聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烯或聚丙烯酸。

【技术特征摘要】
1.锂硫电池隔膜材料，是由催化剂、导电剂、粘结剂混浆涂覆于聚丙烯表面后干燥得到，膜的厚度是微米级的；催化剂是金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物或者是金属单质；导电剂是乙炔黑、科琴黑或碳纳米管；粘结剂是聚偏氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚环氧乙烯或聚丙烯酸。2.根据权利要求1所述的锂硫电池隔膜材料，其特征在于所述的催化剂是二氧化钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：窦辉，徐桂银，张校刚，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32