一种多孔隔膜在锂硫电池中的应用制造技术

本发明专利技术公开了一种具有良好机械性能及稳定性锂硫电池隔膜材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用。以耐热型有机高分子树脂为原料制成，所述耐热型高分子树脂包括聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚丙烯腈中的一种或者几种，所制备的多孔隔膜耐热性好，与电解液的亲和性较好，有利于电池性能的发挥，同时提高了电池的安全性能。本发明专利技术还提供了一种多孔隔膜的制备方法，以耐热型高分子为原料，采用相转化成孔的方式成孔，使得隔膜具有较高的孔隙率，同时这种方法过程简单，可操作性强，有利于进一步推广应用。此外该多孔隔膜机械性能较好，且孔壁具有曲率，能抑制负极锂片枝晶的生成，防止电池使用过程中枝晶刺穿隔膜造成电池短路。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔隔膜在锂硫电池中的应用
本专利技术涉及一种锂硫电池用多孔隔膜，具体说是一种耐热型多孔隔膜及其在锂硫电池中的应用。
技术介绍
随着人民生活水平的提高，汽车作为便捷的交通工具已经越来越普遍化。然而，现在车用燃料主要还是以石油为主的化石燃料，会导致日益严峻的环境污染问题。电动汽车的开发有利于缓解环境污染问题，构建和谐绿色的生活环境。电动汽车的主要部件是电池，以金属锂为负极，硫为正极的锂硫电池，由于金属锂具有最负的电势，最低的密度，最好的电子传导性，其电化学容量达3860mAh/g，且硫正极价格低廉，环境友好，电池能量密度高(1672mAh/g)等特点受到越来越多的重视。尽管具有以上优势，锂硫电池离实用化还有较长一段距离，除了锂硫电池中存在的多硫化物的“飞梭”效应，作为动力电池，电池的安全性能也是至关重要的。针对多硫化物溶解迁移造成的“飞梭”效应，人们做了很多工作。如在电解液中加入添加剂硝酸锂(ElectrochimicaActa70,2012,344-348)使锂负极表面形成保护层，进而抑制多硫化物与金属锂的反应，提高电池性能；制备复合型聚合物凝胶电解质隔膜(JournalofPowerSources212,2012,179-185)亦有效解决多硫化物的“飞梭”效应。但是，关于提高锂硫电池的安全性能这方面的工作开展的还比较少，本专利技术主要针对锂硫电池的安全性问题，提供一种可行的解决方法。锂硫电池的重要组成部分之一是隔膜，其主要作用是使电池的正、负极物理隔开，防止两极直接接触；同时为锂离子在两极间传输提供通道。隔膜的性能直接影响电池的安全性及电化学性能，研发性能优异的隔膜是提高电池综合性能的重要手段之一。目前开发和使用的锂硫电池隔膜，主要为聚烯烃类材料(聚乙烯、聚丙烯等)，这类隔膜材料耐热等级低(PE的熔点为130℃左右，而PP的熔点为160℃左右)，电池内部温度稍高，隔膜就会融化，电池发生短路，释放出大量热量，进而引发爆炸等安全性问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于针对目前聚烯烃隔膜存在的耐热等级低的问题，提供一种由耐热型高分子树脂制备的多孔隔膜、其制备方法，及其在锂硫电池当中的应用。这种多孔隔膜具有浸润性好、机械性能好、耐热等级高等特点，是一种极具应用前景的隔膜材料。可有效提高锂硫电池的安全性问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：以耐热型高分子树脂为原料，采用相转化法制备多孔隔膜，并将其应用于锂硫电池当中。根据权利要求1所述的多孔隔膜，其特征在于：所述用于制备多孔隔膜的耐热型有机高分子树脂为聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚丙烯腈中的一种或者二种以上。所述多孔隔膜的孔径尺寸为孔隙率为25～85％，厚度为10～80um之间。包含以下制备步骤：(1)加入有机高分子树脂、有机或无机溶剂，在0～50℃温度下充分搅拌8～24h制成高分子树脂质量浓度在5～70％均匀铸膜液；(2)将步骤(1)制备的均匀铸膜液倾倒在平板上，刮制成湿膜；然后将其整体浸渍于树脂的不良溶剂中1～60min，并在去离子水中浸泡除去残余溶剂，得到多孔隔膜；(3)将(2)制备的多孔隔膜从去离子水中取出，干燥。所述溶剂为二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、硝酸、硫酸、甲磺酸中的一种或多种。所述不良溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、异丁醇、水中的一种或二种以上。有益结果：(1)本专利技术拓展了锂硫电池用隔膜的种类和使用范围。(2)本专利技术制备的隔膜具有良好的润湿性、机械性能和热稳定性，符合动力电池对于隔膜的要求：隔膜在350℃时产生微小形变，具有良好的高温稳定性。(3)本专利技术制备工艺简单，可操作性强，有利于进一步推广使用。(4)本专利技术制备的隔膜应用在锂硫电池中，提高了电池的安全性。附图说明图1为实施例1所制备的多孔隔膜截面SEM图。图2为实施例1所制备的多孔隔膜与对比例在锂硫电池中0.2C下的充放电性能对比图。具体实施方式以下结合实施案例对本专利技术进行进一步的说明，而不是限制本专利技术的范围。实施例1(1)在烧瓶中加入聚醚醚酮、甲磺酸以及硫酸，其中甲磺酸与硫酸的质量比为10：1，25℃温度下充分搅拌20h，制成聚醚醚酮质量浓度在12％的均匀铸膜液；(2)将步骤(1)制备的均匀铸膜液倾倒在平板上，刮制成湿膜；然后将其整体浸渍于水中10min，形成多孔膜，在去离子水中浸泡除去残余溶剂，得到多孔隔膜；(3)将多孔隔膜从去离子水中取出，干燥。将制成的聚醚醚酮多孔隔膜(膜厚35um)进行孔隙率测试约为75％；接触角测试，结果为30°。将制成的膜进行热稳定性测试，结果为350℃时产生微小形变。利用制备的多孔隔膜组装锂硫电池测试。锂硫电池的负极是锂箔；正极采用以下方法制备：30wt.％的SuperP碳，60wt.％的单质硫，10wt.％的聚偏氟乙烯在N-甲基吡咯烷酮中共混，涂覆到铝箔上，烘干后正极活性层中的硫含量为1.0mg/cm2。电解质采用二(三氟甲基磺酰基)亚胺锂(LiTFSI)，溶剂为二氧戊环(DOL)/二甲醚(DME)(体积比为1:1)，电解质的浓度为1mol/L。将上述组件以正极/隔膜/负极的层状结构组装在一起，并按照20uL/cm2正极面积添加电解液后密封。静置3小时相对于正极活性物质硫的质量以0.2C进行充放电。组装的锂硫电池放电比容量为1128mAh/g，连续充放电100循环后的放电比容量仍然有596mAh/g。对比例1与实施例1相比，将膜换成Celgard2325隔膜，孔隙率测试约为40％；接触角测试，结果为62°。将制成的膜进行热稳定性测试，结果为200℃就已经融化。其他条件不变组装锂硫电池进行电化学测试。组装的锂硫电池放电比容量为1110mAh/g，连续充放电100循环后的放电比容量仍然有556mAh/g。与Celgard2325隔膜相比，聚醚醚酮为原料制备的多孔隔膜耐热等级高，孔隙率高，与电解液亲和力更好，因而提高了电池的安全性能和循环寿命。实施例2同实施例1，将有机高分子树脂换成聚砜，溶剂换成二甲基乙酰胺，不良溶剂为甲醇，其他条件不变。实施例3同实施例1，将有机高分子树脂换成聚酰亚胺，溶剂换成N-甲基吡咯烷酮，其他条件不变。实施例4同实施例1，将有机高分子树脂换成聚丙烯腈与聚砜的混合物，溶剂换成N-甲基吡咯烷酮，不良溶剂为乙醇，其他条件不变。。实施例5同实施例1，将有机高分子树脂换成聚醚砜和聚醚酰胺的混合物，溶剂换成二甲基乙酰胺，其他条件不变。实施例6同实施例1，将不良溶剂换成乙醇，其他条件不变。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔隔膜在锂硫电池中的应用，多孔隔膜由耐热型有机高分子树脂制成，所述耐热型高分子树脂包括：聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚丙烯腈中的一种或者二种以上。

【技术特征摘要】
1.一种多孔隔膜在锂硫电池中的应用，多孔隔膜由耐热型有机高分子树脂制成，所述耐热型高分子树脂包括：聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚醚酰胺、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚丙烯腈中的一种或者二种以上。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述多孔隔膜的孔径尺寸为孔隙率为25-85％，厚度为10-80um之间。3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的多孔隔膜的制备包括以下制备步骤：(1)将有机高分子树脂加入到溶剂，0～50℃温度下充分搅拌8～24h制成高分子树脂质量浓度在5～...

【专利技术属性】
技术研发人员：李先锋，张华民，李丹，史丁秦，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21