一种锂硫电池聚合物阻隔层材料及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种锂硫电池聚合物阻隔层材料及制备方法，配制1‑3mg/ml聚丙烯腈的N，N‑二甲基甲酰胺溶液，采用静电纺丝的方法制备碳纳米纤维前驱体膜；将前驱体膜置于氮气中800‑1000℃碳化形成碳纳米纤维膜；将天然的聚合物阿拉伯树胶溶解于水中制备溶液；直接将阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上形成碳纳米纤维‑阿拉伯树胶复合膜；将上述复合膜60‑80℃真空干燥16‑24h，其厚度在17‑25μm，质量在0.18‑0.36mg/cm

A polymer barrier material for lithium sulfur batteries and its preparation method

The invention relates to a polymer barrier layer material for lithium sulfur batteries and a preparation method, in which N, N dimethylformamide solution of 1 3 mg/ml polyacrylonitrile is prepared and carbon nanofiber precursor film is prepared by electrospinning method, precursor film is carbonized at 800 1000 C in nitrogen gas to form carbon nanofiber film, and natural polymer gum Arabic is dissolved in water to prepare solution. Arabic gum solution was dripped onto carbon nanofibers to form carbon nanofibers and Arabic gum composite membranes. The above composite membranes were vacuum dried at 60 80 C for 16 24h, with a thickness of 17 25 um and a mass of 0.18 0.36mg/cm.

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池聚合物阻隔层材料及制备方法
本专利技术涉及一种锂硫电池聚合物阻隔层材料及制备方法，属于电化学储能

技术介绍
随着电动汽车、便捷式电子设备以及智能电网等的高速发展，寻求高能量密度的储能系统是满足市场需求的必经之路。锂硫电池具有极高的能量密度(2600Wh/kg)，并且硫具有在地球上储量丰富、价格低廉以及环境友好等优点，因此受到了研究者们广泛的关注。然而，锂硫电池中存在的几个严重的问题阻碍了其实际应用：1.硫单质及其最终放电产物硫化锂均为电子的不良导体，一方面造成正极活性物质利用率低和倍率性能差等问题，另一方面使正极的硫含量和硫载量无法提升，大大地降低了锂硫电池高能量密度的优势。2.由于硫单质和硫化锂之间的密度差异，电池充放电过程中产生的体积膨胀(80％)造成正极结构崩塌或极片上的活性物质脱落降低了电池的使用寿命。3.硫放电的中间产物多硫化锂(Li2Sn,4≤n≤8)溶于电解液中造成的“穿梭效应”严重损害了电池的循环性能和库伦效率，这个问题在高硫载量的电极中尤其明显。解决上面的问题一个重要的思路就是开发功能性隔膜或者阻隔层，在目前已有的技术中，有人把碳纳米管膜作为阻隔层置于正极和隔膜之间，通过物理阻挡将多硫化锂阻隔在正极一侧，缓解了“穿梭效应”；有人将一些极性的金属化合物(MnO2,Ti4O7,TiO2等)和碳材料复合作为功能化涂层或者阻隔层，通过物理阻挡和化学吸附多硫化锂的协同效应大大提升了锂硫电池的性能；也有人通过空间位阻或者静电排斥等原理阻止多硫化锂靠近隔膜，进一步缓解了“穿梭效应”。尽管如此，锂硫电池离实际应用还有很远的距离，因为上述的方案技术大多实施复杂、原料昂贵，并且很难解决循环寿命与高硫载量之间的矛盾(高的硫载量意味着电池会产生更为严重的“穿梭效应”、自放电等问题，造成电池的循环寿命不断降低)。
技术实现思路
本专利技术针对已有技术存在的问题，提出一种锂硫电池聚合物阻隔层的制备方法；聚合物采用天然的阿拉伯树胶。本专利技术旨在解决多硫化锂的“穿梭效应”以及目前已有技术中高硫载量与循环寿命之间的矛盾、操作复杂以及原料昂贵等问题。为实现以上目的,本专利技术采用的技术方案是：一种锂硫电池聚合物阻隔层，在碳纳米纤维上直接滴加阿拉伯树胶溶液，而铸造的碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜。本专利技术的锂硫电池聚合物阻隔层的制备方法，其特征是步骤如下：(1)配制聚丙烯腈的N，N-二甲基甲酰胺溶液，采用静电纺丝的方法制备聚丙烯腈膜前驱体；(2)将上述前驱体膜置于氮气中800-1000℃碳化形成碳纳米纤维膜；(3)将天然的聚合物阿拉伯树胶溶解于水中，制备成溶液；(4)按碳纳米纤维膜与阿拉伯树胶质量比等于2-1:1的比例，直接将阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上形成碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜；(5)将上述复合膜60-80℃真空干燥16-24h，得到碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜。所述步骤(1)中配制聚丙烯腈的N，N-二甲基甲酰胺溶液为1-3mg/ml。所述步骤(2)中前驱体膜置于氮气中碳化2-3h。5.如权利要求1所述的方法，其特征是所述步骤(2)形成碳纳米纤维膜厚度在17-25μm，质量在0.12-0.18mg/cm2。所述步骤(3)天然的聚合物阿拉伯树胶溶解于水中浓度为4-7mg/ml的溶液。所述步骤(5)复合膜质量在0.18-0.36mg/cm2。本专利技术实现了对锂硫电池循环250次之后保持了94％容量的优异循环性能，极大的缓解了多硫化锂的“穿梭效应”问题，当正极硫载量达到12mg/cm2时，可逆面容量达到了10.8mAh/cm2，同时电池也表现出优异的反自放电能力。本专利技术具有的特点和优势：操作简单、原料廉价且对环境无害，满足了实际应用的第一要求；阻隔层质量轻、厚度薄，极大的保留了锂硫电池能量密度；阿拉伯树胶分子中包含大量的含氧基团(羟基、羧基及醚键等)对多硫离子具有强的束缚能力，极大的缓解了“穿梭效应”问题；合理地将导电碳纳米纤维和聚合物结合，一方面碳纳米纤维中的空隙结构丰富，具有极好的导电子和导锂离子能力，因此能够匹配高载量的硫正极使用，保证了电池的高能量密度。另一方面，这个设计能够使聚合物吸附的多硫化锂在这个导电网络中重新利用，形成“强力吸附-高效利用”的完美结合，保证了电池稳定循环能力。附图说明图1：本专利技术制备的碳纳米纤维膜(a)和碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜(b)的扫描电镜图,以及他们的截面扫描电镜图(c)。图2：组装的锂硫电池示意图。图3：在电流密度为1C下，正极硫载量为1.1mg/cm2测得电池的循环数据。图4：在电流密度为0.1C下，正极硫载量为(a)6mg/cm2,(b)12mg/cm2测得电池的循环数据。图5：在电流密度为0.5C下，正极硫载量为1.1mg/cm2，间断充放循环150次(30次后静置24h,60次后静置48h,100次后静置120h测得的(a)循环数据，(b)静置120h的开路电压变化，(c)充放电曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术进一步阐述。专利技术步骤如下：(1)将聚丙烯腈溶解于N，N-二甲基甲酰溶剂中，配置1-3mg/ml聚丙烯腈的溶液，采用静电纺丝的方法制备聚丙烯腈膜前驱体；(2)将上述前驱体膜置于氮气中800-1000℃碳化2-3h形成碳纳米纤维膜，其厚度在17-25μm，其面质量在0.12-0.18mg/cm2；(3)将天然的聚合物阿拉伯树胶溶解于水中，制备成4-7mg/ml的溶液；(4)按碳纳米纤维膜与阿拉伯树胶质量比等于2-1:1的比例，直接将阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上形成碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜；(5)将上述复合膜60-80℃真空干燥16-24h，其质量在0.18-0.36mg/cm2。实施例1(1)碳纳米纤维膜采用静电纺丝技术制得，配制3mg/ml聚丙烯腈的N，N-二甲基甲酰胺溶液，将其吸入注射器内作为纺丝液待静电纺丝程序；纺丝设备使用15kV电压，注射器与收集器距离调节至15cm,2h后制备得到所需的聚丙烯腈膜前驱体。(2)将前驱体膜置于管式炉，空气氛围中280℃预处理3h,随之换成氮气氛围800℃碳化2h,即可得到所需的碳纳米纤维膜，将其裁剪成直径为1.4cm的圆形小片，其厚度为25μm，质量为0.2772mg,故其面质量为0.18mg/cm2,。(3)将阿拉伯树胶溶解于蒸馏水中配制成7mg/ml的溶液。(4)按碳纳米纤维膜与阿拉伯树胶质量比为1:1，把39.5μl的阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上；(5)60℃真空干燥24h,即可得到碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜，制备的复合膜的厚度为25μm，面质量为0.36mg/cm2。实施例2(1)将聚丙烯腈溶解于N，N-二甲基甲酰溶剂中，配置2mg/ml聚丙烯腈的溶液，采用静电纺丝的方法制备聚丙烯腈膜前驱体；(2)将前驱体膜氮气氛围900℃碳化2.5h,即可得到所需的碳纳米纤维膜，将其裁剪成直径为1.6cm的圆形小片，其厚度为19μm，质量为0.3mg,故其面质量为0.15mg/cm2。(3)将阿拉伯树胶溶解于蒸馏水中配制成5mg/ml的溶液。(4)按碳纳米纤维膜与阿拉伯树胶质量比为1.5:1，把40μl的阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上；(5)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池聚合物阻隔层，其特征是在碳纳米纤维上直接滴加阿拉伯树胶溶液，而铸造的碳纳米纤维‑阿拉伯树胶复合膜。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池聚合物阻隔层，其特征是在碳纳米纤维上直接滴加阿拉伯树胶溶液，而铸造的碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜。2.权利要求1的锂硫电池聚合物阻隔层的制备方法，其特征是步骤如下：(1)配制聚丙烯腈的N，N-二甲基甲酰胺溶液，采用静电纺丝的方法制备聚丙烯腈膜前驱体；(2)将上述前驱体膜置于氮气中800-1000℃碳化形成碳纳米纤维膜；(3)将天然的聚合物阿拉伯树胶溶解于水中，制备成溶液；(4)按碳纳米纤维膜与阿拉伯树胶质量比等于2-1:1的比例，直接将阿拉伯树胶溶液滴加于碳纳米纤维膜上形成碳纳米纤维-阿拉伯树胶复合膜；(5)将上述复合膜60-80℃真空干燥16-...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂水彬，赵鑫鑫，程明仁，许运华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12