一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层、制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层、制备方法及应用，属于电池材料技术领域。所述夹层中，聚多巴胺包覆碳材料交织在一起呈网络交织结构，粘结剂与成膜剂包覆在网络交织结构外侧。在室温下，将碳材料加入溶解有盐酸多巴胺的缓冲溶液中，搅拌4～24h混匀，过滤得粉体；将粉体、粘结剂和成膜剂混匀得浆料；将浆料涂于基底上，干燥4～24h，用溶剂冲洗去除杂质，从基底上脱落，得到所述夹层。所述夹层可以自支撑且具有柔性，可以提高活性物质硫的利用率，同时可以有效抑制多硫化物的溶解，提高锂硫电池的循环寿命，降低锂硫电池阻抗，特别适用于作为锂硫电池的夹层；制备方法简单，成本低廉，绿色环保，易于实现大批量生产。

Flexible self-supporting polymer coated carbon sandwich, preparation method and application thereof

The invention relates to a flexible self-supporting polymer coated carbon sandwich, a preparation method and an application thereof, belonging to the technical field of battery materials. In the interlayer, the carbon material coated with dopamine is interlaced with a network interwoven structure, and the binder and the film forming agent are coated on the outer side of the network interleaving structure. At room temperature, the carbon material adding buffer solution dissolved with dopamine hydrochloride in 4 ~ 24h, stirring mixing, filtering powder; the powder, binder and film-forming agent mixing slurry; the slurry is coated on the substrate, drying 4 ~ 24h, using solvent cleaning to remove impurities, detached from the basement get the sandwich. The interlayer can self support and flexible, can improve the utilization rate of sulfur dissolved substances, and can effectively inhibit the polysulfide, improve the cycle life of lithium sulfur battery, reduce the impedance of lithium sulfur battery, sandwich is especially suitable for lithium sulfur batteries; the preparation method is simple, low cost, green environmental protection, easy to the realization of mass production.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层、制备方法及应用，属于电池材料

技术介绍
由于对高能量密度设备需求的急速增长，人们研发各种能量存储设备。锂硫电池具有高达1675mAh·g-1的理论容量和2600Wh·kg-1的能量密度，均远高于传统锂离子电池。尽管有着这些显著的优势，锂硫电池的实用化仍面临许多问题和挑战。主要问题在于：一、硫的导电性差，造成锂硫电池中硫的利用率低；二、在充放电循环过程中，生成的多硫化物易溶解于电解液中，并在正负极之间不断“穿梭”，导致锂硫电池的库伦效率低和循环稳定性差。针对锂硫电池存在的所述问题，人们提出了多种改善方案，其中包括改善正极、负极以及电解液等。现有研究报道中，通过寻找合适的正极材料和电解质体系，可使锂硫电池的性能得到有效改善。隔膜作为锂电池体系中的重要组成部分之一，其性能的优劣对电池性能同样有着重要的影响。隔膜位于正负极之间，在充放电循环过程中，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。电池夹层是插入在正极材料和隔膜之间的材料。电池夹层消除了复杂的材料加工问题，具有用作上层集流体和储存多硫化物的双功能作用。碳材料拥有层层叠叠、蜿蜒曲折的孔道结构，可以吸附多硫化物，增加多硫化物渗透流失的路程，是作为锂硫电池的夹层材料的理想材料。多孔碳颗粒，碳纳米管(CNT)，石墨烯(GO)，碳微纤维纸和碳纳米纤维用于锂硫电池夹层都可以提高锂硫电池的库伦效率和循环性能。中南大学赖延清课题组通过真空过滤和热处理制备独立的中空碳纳米纤维/氧化还原石墨烯夹层(WangZhangZ,WangG,LaiY,etal.Afreestandinghollowcarbonnanofiber/reducedgrapheneoxideinterlayerforhigh-performancelithium–sulfurbatteries[J].JournalofAlloysandCompounds,2016,663:501-506.)，但是该文献方法过程繁琐，需要用到还原性危险气体及危险液体，且需要真空环境，不利于大规模制备。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的之一在于提供一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，所述夹层组成结构为：聚合物包覆碳材料交织在一起形成的网络交织结构，粘结剂与成膜剂又包覆在所述网络交织结构外侧，所述夹层具有柔性且为独立自支撑结构。本专利技术的目的之二在于提供一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的制备方法，通过将聚合物包覆碳材料，并与粘结剂和成膜剂混合均匀，涂于基底上，用溶剂冲洗，即可得到所述夹层，所述方法简单，可大批量生产。本专利技术的目的之三在于提供一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的应用，所述应用是将所述夹层为作为锂硫电池的夹层，可抑制飞梭效应。为实现本专利技术的目的，提供以下技术方案。一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，所述夹层的组成结构如下：聚合物包覆碳材料交织在一起形成网络交织结构，粘结剂与成膜剂包覆在所述网络交织结构的外侧。其中，所述聚合物为聚多巴胺；碳材料优选为多孔碳颗粒、氧化石墨烯、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种以上；优选所述夹层厚度为10μm～70μm。一种本专利技术所述柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的制备方法，所述方法步骤如下：在室温下，将碳材料加入溶解有聚合物单体的缓冲溶液中，搅拌4h～24h混合均匀，过滤，得到粉体；将粉体、粘结剂和成膜剂混合均匀，得到浆料；将浆料涂于基底上，干燥4h～24h，用溶剂冲洗去除杂质，从基底上脱落即可得到本专利技术所述的一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层。其中，所述碳材料优选为多孔碳颗粒、氧化石墨烯、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种以上。聚合物单体为盐酸多巴胺；碳材料和聚合物单体的质量比为10:1～1:10，优选为1:1。缓冲溶液为pH值为7.5～10的三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲溶液。粘结剂为聚苯乙烯磺酸掺杂的聚乙烯二氧噻吩(PEDOT:PSS)。成膜剂为苯甲醇、十二碳醇酯、乙二醇丁醚、丙二醇甲醚、丙二醇乙醚、丙二醇丁醚、二丙二醇单甲醚、二丙二醇单丙醚或二甲基亚砜；优选为二甲基亚砜(DMSO)。粉体与PEDOT:PSS的质量比为1:9～9:1，优选为3:2～4:1。PEDOT:PSS与DMSO的体积比优选为25:1～5:1。基底优选为硅板或玻璃板。浆料涂于基底上，涂覆厚度为1μm～500μm。溶剂为水或丙酮。优选水的纯度为去离子水纯度以上。一种本专利技术所述柔性自支撑聚合物包覆碳材料的应用，所述应用是将所述夹层作为锂硫电池的夹层。有益效果1.本专利技术涉及一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，所述夹层可以自支撑且具有柔性，可以提高活性物质硫的利用率，同时可以有效抑制多硫化物的溶解，提高锂硫电池的循环寿命，降低锂硫电池阻抗。2.本专利技术提供了一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的制备方法，所述方法简单，成本低廉，绿色环保，易于实现大批量生产。3.本专利技术涉及一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的应用，所述材料可以自支撑且具有柔性，适用作为锂硫电池的夹层，可抑制飞梭效应。附图说明图1为实施例1制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的实物图。图2为实施例1制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的扫描电子显微镜(SEM)图。图3为实施例1制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的透射电子显微镜(TEM)图。图4为含有实施例1制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的锂硫电池和不含所述夹层的锂硫电池的阻抗性能图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的阐述，但本专利技术并不限于以下实施例。以下实施例中：微孔滤膜购自北京北化黎明膜分离技术有限责任公司；PEDOT:PSS购自Nichem，1000ml。对以下实施例制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层和含有所述夹层的锂硫电池分别进行测试如下：(1)扫描电子显微镜(SEM)测试：扫描电子显微镜的仪器型号为SUPRA55，德国；测试样品及制备方法：将实施例制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层烘干后制成样品，进行SEM的测试；(2)透射电子显微镜(TEM)测试：透射电子显微镜的型号为JEM-2100F，200kV，日本；测试样品及制备方法：将实施例制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层分散于无水乙醇中，滴在透射电子显微镜的微栅上烘干，进行TEM测试；(3)含有所述夹层的锂硫电池的组装：由导电炭黑与硫复合再包覆一层聚苯胺制备的材料作为正极，锂片作为负极；电解质中，溶质为1mol/L双三氟甲基磺酸酰亚胺锂(LiTFSI)、0.4mol/L硝酸锂(LiNO3)，溶剂为体积比为1:1的乙二醇二甲醚(DME)和1,3-二氧戊环(DOL)；隔膜采用型号为Celgard2325的聚丙烯微孔膜；将实施例制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层放置于正极与隔膜之间，组成S/夹层/隔膜/锂片结构的锂硫电池；不含有所述夹层的锂硫电池的组装：正极、负极、电解质和隔膜及其组装与含有所述夹层的锂硫电池相同，正极与隔膜之间未放置实施例制得的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层。(4)锂硫电池性能测试：锂硫电池阻抗性能测试：使用仪器型号为CHI660电化学工作站，上海辰华仪器有限公司；测试参数：频率范围0.1Hz～1MHz，恒定电压为电池开路电压。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，其特征在于：所述夹层的组成结构如下：聚多巴胺包覆碳材料交织在一起形成网络交织结构，粘结剂与成膜剂包覆在所述网络交织结构的外侧。

【技术特征摘要】
1.一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，其特征在于：所述夹层的组成结构如下：聚多巴胺包覆碳材料交织在一起形成网络交织结构，粘结剂与成膜剂包覆在所述网络交织结构的外侧。2.根据权利要求1所述一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，其特征在于：碳材料为多孔碳颗粒、氧化石墨烯、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种以上。3.根据权利要求1所述一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，其特征在于：所述夹层厚度为5μm～70μm。4.根据权利要求1所述一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层，其特征在于：碳材料为多孔碳颗粒、氧化石墨烯、碳纳米纤维和碳纳米管中的一种以上；所述夹层厚度为1μm～70μm。5.一种如权利要求1～4所述的柔性自支撑聚合物包覆碳夹层的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：在室温下，将碳材料加入溶解有盐酸多巴胺的缓冲溶液中，搅拌4h～24h混合均匀，过滤，得到粉体；将粉体、粘结剂和成膜剂混合均匀，得到浆料；将浆料涂于基底上，干燥4h～24h，用溶剂冲洗去除杂质，从基底上脱落，得到所述的一种柔性自支撑聚合物包覆碳夹层；碳材料和盐酸多巴胺的质量比为10:1～1:10；缓冲溶液为pH值为7.5～10的Tris-HCl缓冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈人杰，叶玉胜，刘玉婷，吴锋，曲薇，杨天宇，李丽，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11