一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件制造技术

本发明专利技术公开了一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜‑硫正极复合包组件，该隔膜‑硫正极复合包组件由经多硫化物亲和材料1修饰的隔膜2、硫正极3和硫正极集流体4构造成。所述隔膜的正极侧经多硫化物亲和材料的修饰，其边缘与硫正极集流体的边缘粘结，将硫正极密封在它们所形成的隔膜‑硫正极复合包组件内。将本发明专利技术的锂硫电池隔膜‑硫正极复合包组件应用于锂硫电池中能有效抑制放电产物多硫化物迁移至锂负极，并将多硫化物活动区域限制在隔膜‑硫正极复合包组件内，避免了电池活性材料的损失，提高电池使用寿命和电池能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件
本专利技术涉及锂硫电池领域，具体涉及一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件。
技术介绍
随着传统汽车逐渐地被电动汽车所取代，人们对电池能量密度的要求也越来越高。由于理论能量密度的限制，当前商用锂离子电池已不足以满足一些电子设备的应用要求，人们对电动汽车的续航里程也有了更高的需求。寻找具有更高能量密度的电池系统成为了当前社会的迫切需要。锂硫电池因其理论能量密度高达2600Wh·kg-1，成为了近年来新能源领域的研究热点。锂硫电池是以锂单质为负极，硫单质或硫基复合材料为正极的二次电池系统。电池放电过程中，硫正极产生可溶的多硫化物（Sx2-），这些多硫化物能以电解质为媒介穿过隔膜迁移到负极，再被还原成绝缘、不溶的Li2S2和Li2S后覆盖在负极表面，引起了“穿梭效应”。这部分物质无法使系统获得电流，因此会降低活性材料负极锂和正极硫的利用率。随着电池的反复运行，也将导致电池能量密度严重下滑，造成电池使用寿命短的问题。基于上述问题，本专利技术从锂硫电池系统隔膜和正极的组成与构造着手，设计一种具有防止多硫化物穿梭效应功能的隔膜-正极复合包组件，以提高锂硫电池的能量密度和使用寿命。
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具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件。该复合包组件能隔挡多硫化物穿梭效应。本专利技术目的通过以下技术方案实现。一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件，包括经多硫化物亲和材料修饰的隔膜2、硫正极3和硫正极集流体4，所述经多硫化物亲和材料修饰的隔膜2四周边缘与硫正极集流体4四周边缘粘结，对硫正极3形成空间限域包围。优选的，所述多硫化物亲和材料以直接沉积或辅以粘结剂的方式修饰在隔膜材料上。进一步优选的，多硫化物亲和材料的至少一种金属氧化物、氮化物或硫化物通过原子层沉积技术的方式沉积在隔膜的一侧。例如，特别是二氧化钛、氮化钛或硫化钼可以通过原子层沉积的方式逐层沉积在隔膜单侧。可以根据需要控制所沉积亲和材料的种类、修饰量和镀层厚度。进一步优选的，多硫化物亲和材料的至少一种金属氧化物、氮化物、硫化物或碳基材料利用粘结剂修饰在隔膜上。其中粘结剂的用量不超过亲和材料质量的20%。例如，将粘结剂、多硫化物亲和材料及易挥发溶剂特别是充分混合均匀制备成浆料，以喷涂的方式将浆料涂布在隔膜一侧，当溶剂挥发掉时，粘结剂即将多硫化物亲和材料粘在隔膜上。进一步优选的，多硫化物亲和材料的至少一种金属氧化物、氮化物或硫化物通过溶液结晶或以热的方式被修饰在隔膜上。进一步优选的，所述粘结剂的用量不超过多硫化物亲和材料质量的20%。优选的，所述多硫化物亲和材料为金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物及碳基材料中的一种或多种。进一步优选的，所述金属氧化物为三氧化二铝或二氧化钛。通过金属氧化物镀层在隔膜表面的修饰，可有效地提高隔膜对多硫化物的亲和作用，使其有效隔挡多硫化物透过隔膜中间或边缘迁移至负极。进一步优选的，所述金属氮化物为氮化钛。进一步优选的，所述金属硫化物为硫化钼。进一步优选的，所述碳基材料为氮掺杂碳材料或硫掺杂碳材料。优选的，经多硫化物亲和材料修饰的隔膜边缘至少以一种热压或胶封等形式与硫正极的集流体边缘密封粘结，并将硫正极包围，在空间上对硫正极形成完整的多硫化物屏障，形成具有多硫化物限域作用的隔膜-硫正极复合包。优选的，所述隔膜为织造膜、非织造膜（无纺布）、微孔膜、复合膜或隔膜纸等。隔膜经过多硫化物亲和材料的修饰作用后具有吸附多硫化物的作用。具有多硫化物隔挡作用的隔膜特别是可以被理解为能阻止大于或等于3、例如3到8的链长的多硫化物从正极扩散至负极的隔膜。该隔膜在此特别是一种经过多硫化物亲和材料修饰处理的亲硫隔膜。修饰于隔膜的多硫化物亲和材料可与放电产物多硫化物，通过可逆极性化学吸附或路易斯酸碱对作用结合。该隔膜-正极复合包是经过多硫化物亲和材料修饰的隔膜，隔着硫正极片以热压、胶封等方式与正极集流体四周边缘进行粘结，在空间上将硫正极限域包围，形成完整的多硫化物屏障。既能防止多硫化物从隔膜中间迁移到负极，又可阻止其从隔膜边缘通过电解质渗出至负极。从电池结构上将多硫化物限制在隔膜-正极复合包内，且在电池充电或放电过程中可进一步被氧化或还原，提高了电池活性材料的利用率以及电池的能量密度。修饰于隔膜上的多硫化物亲和材料是一种与多硫化物具有可逆极性化学吸附作用或路易斯酸碱对吸附作用的材料。电池放电时，正极产生大量的多硫化物，当其扩散至隔膜上时，隔膜上的多硫化物亲和材料即将其吸附，可防止多硫化物扩散到负极。优选地，当电池充电时，硫正极附近的多硫化物浓度降低，吸附在隔膜上的多硫化物又解吸到电解液中，迁移至正极而被氧化。经多硫化物亲和材料修饰的隔膜的边缘，与硫正极的集流体边缘密封连接在一起，把硫正极片封闭包围起来，形成隔膜-硫正极复合包。经过多硫化物亲和材料修饰的隔膜将硫正极片包围，对电池放电时产生的多硫化物形成空间上的屏障，阻止其从隔膜中间穿透或隔膜边缘渗透至锂负极，发生“穿梭”效率而降低电池的能量密度和效率。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点与效果：将本专利技术的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件应用于锂硫电池中，能有效抑制放电产物多硫化物迁移至锂负极，可避免多硫化物沉积在锂负极表面从而导致的锂负极的利用率下降的问题；同时可将多硫化物活动区域限制在隔膜-硫正极复合包组件内。当电池充电时，硫正极附近的多硫化物被氧化成硫单质嵌入到正极导致其浓度降低，进一步地可促进吸附于隔膜上的多硫化物亲和材料上的多硫化物可逆性地解吸，提高活性硫的利用率，避免了活性硫以多硫化物的形式迁移至负极从而发生不可逆的反应导致活性硫的损失，提高电池的能量密度和使用寿命。附图说明图1为本专利技术的隔膜-硫正极复合包组件与锂负极组成的锂硫电池的横截面示意图。具体实施方式以下结合实例与附图对本专利技术的具体实施作进一步说明，但本专利技术的实施方式不限于此。本专利技术的隔膜-硫正极复合包组件B与锂负极A组成的锂硫电池的横截面示意图如图1所示，所述隔膜-硫正极复合包组件由经多硫化物亲和材料1修饰的隔膜2、硫正极3和硫正极集流体4构造成，所述经多硫化物亲和材料修饰的隔膜2四周边缘与硫正极集流体4四周边缘粘结，对硫正极3形成空间限域包围。该锂硫电池可有效抑制放电产物多硫化物的穿梭效应，提高电池活性材料的利用率，提高电池的能量密度和使用寿命。为有效隔挡多硫化物，该电池组件中多硫化物亲和材料1被构筑在隔膜的正极侧。为保障隔挡效果，多硫化物亲和材料包括与多硫化物通过可逆极性化学吸附或路易斯酸碱对结合的金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物及碳基材料或他们的混合物。该隔膜-硫正极材料B在空间上对硫正极片形成完整限域包围，可有效将多硫化物的活动空间限制在组件B内，达到隔挡效果。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜‑硫正极复合包组件，其特征在于，包括经多硫化物亲和材料修饰的隔膜（2）、硫正极（3）和硫正极集流体（4），所述经多硫化物亲和材料修饰的隔膜（2）四周边缘与硫正极集流体（4）四周边缘粘结，对硫正极（3）形成空间限域包围。

【技术特征摘要】
1.一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件，其特征在于，包括经多硫化物亲和材料修饰的隔膜（2）、硫正极（3）和硫正极集流体（4），所述经多硫化物亲和材料修饰的隔膜（2）四周边缘与硫正极集流体（4）四周边缘粘结，对硫正极（3）形成空间限域包围。2.根据权利要求1所述的一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件，其特征在于，所述多硫化物亲和材料以直接沉积或辅以粘结剂的方式修饰在隔膜材料上。3.根据权利要求2所述的一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件，其特征在于，所述粘结剂的用量不超过多硫化物亲和材料质量的20%。4.根据权利要求1所述的一种具有防止多硫化物穿梭效应的锂硫电池隔膜-硫正极复合包组件，其特征在于，所述多硫化物亲和材料为金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物及碳基材料中的一种或多种。5.根据权利要求4所述的一种具有防止多硫化物...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜丽，张嘉熙，宋慧宇，崔志明，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44