一种以C/Ti4O7复合纤维无纺布为插层的锂硫电池制造技术

本发明专利技术公开了一种以C/Ti4O7复合纤维无纺布为插层的锂硫电池，包括硫正极、隔膜、电解液和锂负极，在所述硫正极与所述隔膜间设置一层C/Ti4O7复合纤维无纺布。本发明专利技术的锂硫电池以C/Ti4O7复合纤维无纺布作为功能化插层，该C/Ti4O7复合纤维无纺布在充放电过程中，对多硫化物进行物理、化学吸附，解决了现有技术中多孔碳纸对多硫化物单一的物理吸附，同时该C/Ti4O7复合纤维无纺布在锂硫电池充放电过程亦可作为一个“二次集流体”，提高循环过程中活性物质的利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电池电化学领域，尤其涉及一种以C/Ti4O7复合纤维无纺布为电池插层的锂硫电池。
技术介绍
锂硫电池是一种以硫为正极活性物质，金属锂为负极的二次电池，其理论能量密度高达2600Wh/Kg。且硫具有资源丰富、环境友好、价格低廉等优点。因此，锂硫电池是下一代绿色高能量密度二次电池最有希望的候选者。但是，锂硫电池在被商业化应用之前仍然存在许多棘手的问题有待解决。如：在锂硫电池充放电过程中，单质硫与负极锂反应生成一系列多硫化物，这些多硫化物溶于有机电解液，通过隔膜扩散到锂负极，与负极锂发生副反应，造成负极锂和活性物质硫的损失，导致电池放电比容量低、循环寿命短和充放电效率低，极大阻碍了锂硫电池的实际应用。为了解决这些问题，研究者采用纳米结构导电碳、半导体纳米氧化物添加剂及导电聚合物对硫正极材料进行改性来提高电池电化学性能。但是纳米结构导电碳难从根本上解决锂硫电池充放电过程多硫化物的溶出问题，因而半导体纳米氧化物添加剂，对改善硫电极的导电性作用有限。同时，由于半导体纳米氧化物添加剂导致硫在整个电极中的比重较低，严重降低了锂硫电池的能量密度。近年，研究者提出了一种新型的电池结构，采用普通的硫正极，并在硫正极与隔膜之间加入一层功能化插层——多孔导电碳纸(ElectrochimicaActa.2015,168(20):271-276),该多孔导电碳纸能有效抑制多硫化物的“穿梭效应”，该类型锂硫电池在2C下的放电比容量为416mAh/g，但是多孔碳对多硫化物仅仅是物理吸附，使得该锂硫电池难以获得长循环使用寿命。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种高放电比容量、长循环使用寿命和高充放电效率的以C/Ti4O7复合纤维无纺布为插层的锂硫电池。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种以C/Ti4O7复合纤维无纺布为插层的锂硫电池，包括硫正极、隔膜、电解液和锂负极，在所述硫正极与所述隔膜间设置一层C/Ti4O7复合纤维无纺布作为功能化插层。所述硫正极中硫活性材料选自单质硫(升华硫或沉降硫)、导电碳/硫复合物、导电聚合物/硫复合物、高分子聚合物/硫复合物、无机氧化物/硫复合物、纳米金属/硫复合物中至少一种。所述导电碳为导电炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米管、科琴黑、BP2000、氮掺杂碳、石墨烯、氮掺杂石墨烯中的一种或两种以上。所述导电聚合物为聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚苯胺(PAN)的一种。所述无机氧化物为Mg0.6Ni0.4O、Mg0.8Cu0.2O、TiO2、Al2O3、SiO2中的一种或两种以上。所述纳米金属为金属Ni、Cu、Zn、Pt的一种。所述隔膜为聚丙烯膜、聚乙烯膜、聚酰亚胺膜、聚偏氟乙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚丙烯腈膜、聚酰胺膜、玻璃陶瓷膜中一种或两种以上复合膜，所述隔膜的孔径范围为0.01～0.20μm。所述电解液中的溶剂为碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、1.3-二氧环戊烷(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)中的至少两种；电解液中的电解质为高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)和二(三氟甲基磺酞)亚胺锂(LITFSI)中的至少一种。所述电解液中还添加0.1～0.5mol无水硝酸锂(LiNO3)。上述的锂硫电池，优选的，所述C/Ti4O7复合纤维无纺布的比表面积为100～200m2/g，面密度为1～5mg/cm2。上述的锂硫电池，优选的，所述C/Ti4O7复合纤维无纺布的厚度为0.1～0.5mm。上述的锂硫电池，优选的，所述C/Ti4O7复合纤维无纺布由C/Ti4O7复合纳米纤维制成，所述C/Ti4O7复合纳米纤维为核壳结构，其核为Ti4O7，壳为多孔碳，所述多孔碳的孔径为15～20nm；所述C/Ti4O7复合纳米纤维的直径为50nm～500nm，长度为10μm～50μm，比表面积为100～200m2/g，面密度为1～5mg/cm2。上述的锂硫电池，优选的，所述C/Ti4O7复合纳米纤维是由以下制备方法制成的：将钛酸四丁脂/乙酸混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮溶液中混合均匀形成混合液A，然后将所述混合液A静电纺丝形成前驱体纤维，再将所述前驱体纤维置于惰性气体中或者惰性气体/氢气混合气氛中热处理，即得到所述C/Ti4O7复合纳米纤维。上述的锂硫电池，优选的，所述热处理过程的温度为950～1100℃，热处理时间为1～4小时；所述静电纺丝过程中，注射泵喷头直径为0.3～0.6mm，混合液A的流速为0.6～1.0mL/小时，注射泵喷头与收集辊之间的距离10～20cm，注射泵喷头与收集辊之间的电压为10～20kV。上述的锂硫电池，优选的，所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为10000～630000。上述的锂硫电池，优选的，所述钛酸四丁脂/乙酸混合溶液中钛酸四丁酯与乙酸的体积比为2～4：1；所述聚乙烯吡咯烷酮溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为5％～10％，所述钛酸四丁脂/乙酸混合溶液与聚乙烯吡咯烷酮溶液的体积比为1:3～7。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的以C/Ti4O7复合纤维无纺布作为功能化插层的锂硫电池，电池的电化学性能优异，在2C倍率下充放电500圈后，锂硫电池的放电比容量仍然保持在561mAh/g，同时充放电效率基本维持在100％。本专利技术的锂硫电池以C/Ti4O7复合纤维无纺布作为功能化插层，该C/Ti4O7复合纤维无纺布在充放电过程中，对多硫化物进行物理、化学吸附，解决了现有技术中多孔碳纸对多硫化物单一的物理吸附，同时该C/Ti4O7复合纤维无纺布在锂硫电池充放电过程亦可作为一个“二次集流体”，提高循环过程中活性物质的利用率。本专利技术的锂硫电池中的功能化插层—C/Ti4O7复合纤维无纺布，其原料简单，制备工艺易于控制，且所用设备为常规设备，因而便于工业化生产，且生产成本低，进而使得本专利技术的锂硫电池生产成本低。本专利技术首次采用静电纺丝技术制备C/Ti4O7复合纤维无纺布，使其作为功能化插层并应用到锂硫电池中，提高锂硫电池的循环稳定性，具有重大的意义。附图说明图1为本专利技术实施例1中得到的C/Ti4O7复合纳米纤维的扫描电镜图。图2为本专利技术实施例1中得到的C/Ti4O7复合纳米纤维的透射电镜图。图3为本专利技术实施例1和对比例的锂硫电池在2C倍率下循环性能与充放电效率比较图。图4为本专利技术实施例1的锂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以C/Ti4O7复合纤维无纺布为插层的锂硫电池，包括硫正极、隔膜、电解液和锂负极，其特征在于，在所述硫正极与所述隔膜间设置一层C/Ti4O7复合纤维无纺布。

【技术特征摘要】
1.一种以C/Ti4O7复合纤维无纺布为插层的锂硫电池，包括硫正极、隔膜、电解液和锂
负极，其特征在于，在所述硫正极与所述隔膜间设置一层C/Ti4O7复合纤维无纺布。
2.如权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于，所述C/Ti4O7复合纤维无纺布的比表面
积为100～200m2/g，面密度为1～5mg/cm2。
3.如权利要求1所述的锂硫电池，其特征在于，所述C/Ti4O7复合纤维无纺布的厚度为
0.1～0.5mm。
4.如权利要求1～3任一项所述的锂硫电池，其特征在于，所述C/Ti4O7复合纤维无纺布
由C/Ti4O7复合纳米纤维制成，所述C/Ti4O7复合纳米纤维为核壳结构，其核为Ti4O7，壳为
多孔碳，所述多孔碳的孔径为15～20nm；所述C/Ti4O7复合纳米纤维的直径为50nm～500nm，
长度为10μm～50μm，比表面积为100～200m2/g，面密度为1～5mg/cm2。
5.如权利要求4所述的锂硫电池，其特征在于，所述C/Ti4O7复合纳米纤维是由以下制
备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚山山，唐豪，沈湘黔，侯金利，吴潇，景茂祥，钱昕晔，饶德伟，廖达前，习小明，肖可颂，
申请(专利权)人：长沙矿冶研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43