一种锂硫电池用隔膜及包含该隔膜的锂硫电池制造技术

本发明专利技术属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种锂硫电池用隔膜，包括隔膜基体，还包括覆盖层，覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，异质结纳米材料为共生的强吸附性相‑强导电性相，石墨烯与异质结纳米材料的质量比为（3‑15）：1，异质结纳米材料中，强吸附性相与强导电性相的质量比为（1‑10）：（10‑1）。相对于现有技术，本发明专利技术通过在隔膜上设置覆盖层，可以大大提升锂硫电池的电化学和动力学性能。具体而言，异质结纳米材料包括对多硫化物具有强吸附作用的强吸附性相和具有高导电性的强导电性相两相，强吸附性相吸附的多硫化物可以扩散到强导电性相表面完成转化，强吸附性相和强导电性相两相界面处也可完成吸附和转化，抑制多硫化物的“穿梭效应”。

Separator for lithium sulfur battery and lithium sulfur battery containing the separator

The invention belongs to the technical field of lithium sulfur battery, in particular relates to a lithium sulfur battery with the diaphragm, the diaphragm comprises a substrate, also includes a cover layer covering layer including graphene and heterojunction nanomaterials, heterojunction nanomaterials for strong adsorption of symbiotic strong conductive phase, the quality of graphene and heterojunction nanomaterials the ratio of (3 15): 1, heterojunction nanomaterials, strong adsorption and high quality conductive phase ratio (1 10 (10): 1). Compared with the prior art, the electrochemical and dynamic performance of the lithium sulfur battery can be greatly improved by setting a covering layer on the diaphragm. Specifically, the heterojunction high conductivity of nano materials including strong adsorption and strong adsorption of polysulfide with high conductivity phase, polysulfide strong adsorption adsorption can diffuse into the high conductivity of surface finish transformation, strong adsorption and strong conductive phase at the interface can also be adsorption and conversion, the inhibitory effect of polysulfides \shuttle\.

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池用隔膜及包含该隔膜的锂硫电池
本专利技术属于锂硫电池
，尤其涉及一种可吸附多硫化物并有效转化多硫化物，从而提高锂硫电池的电化学性能的锂硫电池用隔膜及包含该隔膜的锂硫电池。
技术介绍
随着电子信息技术的不断发展，人类对长续航高容量电池的需求更加迫切，锂硫电池因其具有高理论比容量（1675mAh/g）和理论比能量（2600Wh/Kg），受到很大关注。但是锂硫电池也存在诸多问题，例如，多硫化物的“穿梭效应”会消耗活性物质，影响电池稳定性。因此只有抑制多硫化物的“穿梭效应”同时促进多硫化物的转化来提升锂硫电池的电化学和动力学性能，才能实现锂硫电池的商业化。近期，对于锂硫电池隔膜的改性方式，多为对多硫化物进行阻挡，而多硫化物的转化及利用率较低，单纯的阻挡吸附无法满足长循环及商业化的锂硫电池。本专利技术旨在提供一种锂硫电池用隔膜及包含该隔膜的锂硫电池，该隔膜包括隔膜基体和覆盖层，覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，该异质结纳米材料包括具备强吸附作用的强吸附性相和高导电性的强导电性相两相，强吸附性相吸附的多硫化物可以扩散到强导电性相表面完成转化，同时两相界面处也可完成吸附和转化，使得整体的异质结兼具对多硫化物的强吸附和转化多硫化物的能力，从而提升锂硫电池的电化学和动力学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂硫电池用隔膜，该隔膜包括隔膜基体和覆盖层，覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，该异质结纳米材料包括具备强吸附作用的强吸附性相和高导电性的强导电性相两相，强吸附性相吸附的多硫化物可以扩散到强导电性相表面完成转化，同时两相界面处也可完成吸附和转化，使得整体的异质结兼具对多硫化物的强吸附和转化多硫化物的能力，从而提升锂硫电池的电化学和动力学性能。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种锂硫电池用隔膜，包括隔膜基体，还包括覆盖层，所述覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，所述异质结纳米材料为共生的强吸附性相-强导电性相，所述石墨烯与所述异质结纳米材料的质量比为（3-15）：1，所述异质结纳米材料中，强吸附性相与强导电性相的质量比为（1-10）：（10-1）。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，强吸附性相与强导电性相为掺杂共生结构，并且二者之间存在公共界面。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，所述强吸附性相为氧化钼、氧化钨和氧化钛中的至少一种，所述强导电性相为碳化钼、碳化钨和氮化钛中的至少一种，所述异质结纳米材料为共生的氧化钼-碳化钼、共生的氧化钨-碳化钨和共生的氧化钛-氮化钛中的至少一种。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，所述异质结纳米材料的制备方法至少包括以下步骤：第一步，采用尿素作为氮源，钼的前驱体、钨的前驱体或钛的前驱体作为金属源，控制金属源和尿素的摩尔比为1：（2.1-9.9）；第二步，将金属源分散在乙醇中，随后加入尿素，分散均匀，烘干直至形成玻璃态中间相，将该玻璃态中间相装入半封闭的容器，将该半封闭的容器置于保护气体气氛下于600℃-1000℃下保温1h-5h，得到异质结纳米材料。以制备共生的氧化钛-氮化钛为例，尿素是氮源，在反应过程中，其能够产生氨气，尿素达到一定量时可在玻璃态中与氧化钛反应形成氮化钛，因此氧化钛和氮化钛两相是共生的，当尿素量不足时只能在颗粒部分形成氮化钛，尿素过量则全部氧化钛转化为氮化钛，因此，通过控制尿素与四氯化钛的比例，可以控制氮化钛的生成量。实践表明：将四氯化钛和尿素摩尔比控制为1：2，1：6，1：8，1：10，分别可以得到纯相金红石二氧化钛；金红石二氧化钛：氮化钛质量比为8:2的异质结；金红石二氧化钛：氮化钛质量比为3:7的异质结；纯相氮化钛。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，钼的前驱体为钼酸铵或三氯化钼，钨的前驱体为六氯化钨，钛的前驱体为四氯化钛。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，第二步中金属源的乙醇溶液的浓度为1mol/L-3mol/L，适宜的浓度调控可以为后续反应提供适宜的玻璃态；所述保护气体为氮气或氩气。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，所述覆盖层的制备方法至少包括以下步骤：将异质结纳米材料与石墨烯在乙醇中分散均匀，得到分散液，然后将该分散液以抽滤的方法布置在隔膜基体上，抽滤完成后烘干，即得到覆盖层。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，所述异质结纳米材料的粒径为50nm-5μm，纳米尺寸的异质结比表面较大，与多硫化物的接触充分，并且可均匀分散在溶剂中。所述覆盖层的厚度为1μm-10μm，厚度较薄，离子传输能力较好，同时电池的体积能量密度得到提升。所述隔膜基体上覆盖层的负载量为0.1mg/cm2-0.5mg/cm2。覆盖层负载量较低可提升电池的质量能量密度。作为本专利技术锂硫电池用隔膜的一种改进，所述隔膜基体为聚乙烯多孔膜、聚丙烯多孔膜、聚乙烯/聚丙烯复合隔膜或聚对苯二甲酸乙二酯基无纺布隔膜或聚酰亚胺隔膜。相对于现有技术，本专利技术通过在隔膜上设置覆盖层，所述覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，可以大大提升锂硫电池的电化学和动力学性能。具体而言，异质结纳米材料包括对多硫化物具有强吸附作用的强吸附性相和具有高导电性的强导电性相两相。强吸附性相吸附的多硫化物可以扩散到强导电性相表面完成转化，同时强吸附性相和强导电性相两相界面处也可完成吸附和转化，使得整体的异质结兼具对多硫化物的强吸附和转化多硫化物的能力，大大抑制多硫化物的“穿梭效应”，避免活性物质的消耗对电池稳定性的影响。石墨烯的加入则可以起到物理阻挡的作用，进一步抑制多硫化物的“穿梭效应”，避免活性物质的消耗对电池稳定性的影响。同时石墨烯导电性优越，可以提升活性物质的利用率。本专利技术的另一个目的在于提供一种锂硫电池，包括正极、负极、电解液和隔膜，所述隔膜为本专利技术所述的锂硫电池用隔膜。该电池由于使用了具有包含石墨烯和异质结纳米材料的覆盖层而具备良好的动力学和电化学性能，尤其是其循环性能得到了大大的提升。附图说明下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术及其有益技术效果进行详细说明。图1中a）、b）、c）和d）依次为实施例1、实施例2和对比例1、对比例2所得的异质结纳米材料、异质结纳米材料、纯相金红石型二氧化钛和纯相氮化钛的SEM图。图2中第一行的四幅图为实施例1所得的异质结纳米材料的扫描电镜元素分布分析图；图2中第二行的四幅图为实施例2所得的异质结纳米材料的扫描电镜元素分布分析图。图3为实施例1和实施例2所得的异质结纳米材料、对比例1所得的纯相金红石型二氧化钛和对比例2所得的纯相氮化钛的XRD图。图4为实施例1的隔膜的覆盖层的SEM分析图。图5为实施例9、实施例10、对比例3和对比例4的锂硫电池的电化学性能及阻抗测试图。图6为实施例9、实施例10、对比例3和对比例4的锂硫电池的长循环高负载性能测试图。具体实施方式以下以具体实施例来说明本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不限于此。实施例1本实施例提供了一种锂硫电池用隔膜，包括隔膜基体聚乙烯多孔膜，还包括覆盖层，覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，异质结纳米材料为共生的金红石型二氧化钛-氮化钛，石墨烯与异质结纳米材料的质量比为9：1，异质结纳米材料中，金红石型二氧化钛与氮化钛的质量比为3：7。金红石型二氧化钛与氮化钛为掺杂共生结构，并且二者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂硫电池用隔膜，包括隔膜基体，其特征在于：还包括覆盖层，所述覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，所述异质结纳米材料为共生的强吸附性相‑强导电性相，所述石墨烯与所述异质结纳米材料的质量比为（3‑15）：1，所述异质结纳米材料中，强吸附性相与强导电性相的质量比为（1‑10）：（10‑1）。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池用隔膜，包括隔膜基体，其特征在于：还包括覆盖层，所述覆盖层包括石墨烯和异质结纳米材料，所述异质结纳米材料为共生的强吸附性相-强导电性相，所述石墨烯与所述异质结纳米材料的质量比为（3-15）：1，所述异质结纳米材料中，强吸附性相与强导电性相的质量比为（1-10）：（10-1）。2.根据权利要求1所述的锂硫电池用隔膜，其特征在于：强吸附性相与强导电性相为掺杂共生结构，并且二者之间存在公共界面。3.根据权利要求1所述的锂硫电池用隔膜，其特征在于：所述强吸附性相为氧化钼、氧化钨和氧化钛中的至少一种，所述强导电性相为碳化钼、碳化钨和氮化钛中的至少一种，所述异质结纳米材料为共生的氧化钼-碳化钼、共生的氧化钨-碳化钨和共生的氧化钛-氮化钛中的至少一种。4.根据权利要求3所述的锂硫电池用隔膜，其特征在于，所述异质结纳米材料的制备方法至少包括以下步骤：第一步，采用尿素作为氮源，钼的前驱体、钨的前驱体或钛的前驱体作为金属源，控制金属源和尿素的摩尔比为1：（2.1-9.9）；第二步，将金属源分散在乙醇中，随后加入尿素，分散均匀，烘干直至形成玻璃态中间相，将该玻璃态中间相装入半封闭的容器，将该半封闭的容器置于保护气体气...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝华，周天红，吕伟，杨全红，李佳，赵严，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44