一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜及其制备方法和锂硫电池技术

本发明专利技术公开了一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，包括隔膜本体和涂覆在隔膜本体靠近正极一侧表面的改性涂层，改性涂层包括柚皮基生物质炭气凝胶、导电剂和粘结剂，改性涂层具有多孔结构。该专用隔膜的改性涂层柚皮基生物质炭气凝胶材料与导电剂的多孔阻挡层可以让锂离子穿过，还可以对正极氧化还原反应过程中产生的多硫化物有一定的阻挡和吸附作用，对电池电化学性能以及循环性能更具有优势。本发明专利技术还公开了一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜的制备方法，方法较为简单，不需要开发新型的隔膜，只需要在现有的商业化正常隔膜上涂覆一层改性材料即可使用，大大节省了时间以及费用。本发明专利技术还公开了采用该专用隔膜组装的锂硫电池。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜及其制备方法和锂硫电池
本专利技术属于锂离子电池领域，尤其涉及一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜及其制备方法和锂硫电池。
技术介绍
锂硫电池是以硫作为正极材料，金属锂片作为负极材料的二次电池，其理论比容量和电池理论比能量分别为1675mAh/g和2600Whk/g。且硫元素在地壳中含量较高，又为环境友好型元素，成本低廉，在电动汽车，消费电子等领域具有很好的应用前景。但锂硫电池在应用过程中也存在着一定的问题，最主要的问题是锂硫电池的中间放电产物会溶解于有机电解液中，增加电解液的粘度，降低离子的电导性。多硫离子能在正负极之间迁移，发生穿梭效应，从而导致活性物质的损失和电能的浪费，溶解的多硫化物会跨越隔膜扩散到负极，与负极反应，破坏了负极的固体电解质界面SEI膜。所以，阻挡或者抑制多硫化物的穿梭效应一直成为提高锂硫电池性能最为有效的方法之一。如中国专利CN105280867A公开了一种锂硫电池隔膜的改性方法，就是在锂硫电池正常商业隔膜上涂覆一层添加有科琴黑包覆金属氧化物改性涂层。纳米基科琴黑和金属氧化物复合的多孔阻挡层可以让锂离子穿过，另外，还可以对正极氧化还原反应过程中产生的多硫化物有一定的阻挡和吸附作用，从而大大提升了锂硫电池的容量以及长时间的循环性能。但是这些材料形成的阻挡层成孔率有限，大大限制了对多硫化物的吸附，且材料本身成本较高，所以，研究开发一种吸附能力强且廉价的材料作为隔膜的阻挡层十分必要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种吸附能力强且廉价的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜及其制备方法和使用该专用隔膜组成的锂硫电池。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，包括隔膜本体和涂覆在所述隔膜本体靠近正极一侧表面的改性涂层，所述改性涂层包括柚皮基生物质炭气凝胶、导电剂和粘结剂，所述改性涂层具有多孔结构。在锂硫电池中，多硫化物的流失产生了“穿梭效应”，从而导致活性物质的损失和电能的浪费，所以对多硫化物进行阻挡成为了提升锂硫电池性能的关键。由于生物质炭基材料多孔结构的存在，柚皮基生物质炭气凝胶材料与导电剂形成的多孔阻挡层可以让锂离子穿过；同时，生物质炭基材料具有较大的比表面积、优异的导电性能、吸附性能以及制备方法简单等特点，由其制成的改性涂层对于锂硫电池中氧化还原反应过程中产生的多硫化物有一定的阻挡和吸附作用，阻挡了多硫化物的穿梭，有效的抑制了“穿梭效应”，从而大大提升了锂硫电池的容量以及长时间的循环性能。生物质炭气凝胶是一种主要由含碳材料制成的外观呈黑色，内部孔隙结构发达、比表面积大，具有了更优异的吸附能力，因此大大的增强了改性隔膜多孔阻挡层的吸附能力，提高了锂硫电池的容量和循环寿命。本专利技术中柚皮基生物质炭气凝胶材料采用的原料柚皮，相比于其他生物质炭材料，柚皮中含丰富的植物纤维和大量的功能基团，如羟基、羧基和氨基等，是一种具有很好发展前景的吸附材料。柚皮制成生物炭之后依然具有很强的吸附能力，可以对锂硫电池中多硫化物进行有效的吸附。此外，柚皮为可再生资源，价格十分便宜，且来源广泛，容易获取，制备过程也相对简单，适合商业化生产，将生物质炭气凝胶材料运用到电池中，实现了资源的可持续利用，绿色环保无污染。改性涂层中采用柚皮基生物质炭气凝胶材料和导电剂，不采用价格昂贵的金属氧化物材料，不仅提高使用该改性隔膜的锂硫电池的电化学性能，而且在一定程度上降低了电池的生产成本，适合于商业化生产。上述的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，优选的，所述隔膜本体为商用隔膜Celgard2400，所述的改性涂层的厚度为10～200μm。优选的，所述导电剂为科琴黑、乙炔黑和Super-P中的一种或几种，这几种导电剂可以在一定程度上改善改性涂层的导电性能；所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和聚四氟乙烯中的一种或几种，这几种粘结剂的选择可以很好地将改性涂层材料固定在隔膜本体上，在电池长时间的循环中保证不脱落；所述柚皮基生物质炭气凝胶、导电剂和粘结剂的质量比为(5～8):(1～3):(2～5)。优选的，所述柚皮基生物质炭气凝胶由柚皮经过水热反应后冷冻干燥，再在氮气氛围中热解得到。优选的，所述柚皮基生物质炭气凝胶中掺杂有氮元素和硼元素。通过不同元素的引入可以改变炭材料内部的电子结构，从而改善材料的导电性。除了物理阻挡和吸附外，化学吸附被认为是一种有效固定多硫化物的手段，通过将氮和硼元素与碳元素之间形成一定的化学键而引入到柚皮基生物质炭气凝胶炭材料的骨架上，这种方法可以改变炭材料表面与内部的电子结构，从而改善材料的导电性。因此，氮和硼元素掺杂炭材料在一定程度上可以通过电荷之间的作用对多硫化物产生强有力的化学吸附作用，从而十分有效的固定多硫化物，提升锂硫电池的性能。基于一个总的技术构思，本专利技术还提供一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜的制备方法，包括如下步骤：(1)将柚皮进行水热反应，再进行冷冻干燥，然后在氮气氛围里进行热解，得到柚皮基生物质炭气凝胶材料；(2)将粘结剂与溶剂混合，得到的粘结剂溶液与导电剂、所述步骤(1)后得到的柚皮基生物质炭气凝胶材料混合，机械搅拌均匀后得到涂层浆料；(3)将所述步骤(2)后得到的涂层浆料在涂布机上均匀地涂覆在隔膜本体靠近正极一侧，干燥，即得到所述的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜。上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，水热反应具体包括如下步骤：将柚皮去坚硬表皮，切块，洗净放入水热反应釜中，于鼓风干燥箱中130～200℃水热反应8～12h，然后在50～80℃热水浴中浸泡1～3天，去除可溶性杂质，再置于-30～10℃环境中冷冻12～36h后，再置于真空冷冻干燥箱中冷冻干燥12～48h；热解温度为600℃～1000℃。在600℃～1000℃的温度范围内热解柚皮能得到具有空隙缺陷的石墨化结构，而这对于材料的导电性至关重要；另外，羟基、羧基等基团在该温度下热解消失，材料形成最大化的多孔结构。优选的，所述步骤(2)中，溶剂为乙醇、丙酮和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种；粘结剂与溶剂的质量比为(1～3):(10～30)；机械搅拌的速度为500～1000r/min，搅拌时间为2～5min。优选的，所述步骤(3)中，干燥温度为20～40℃，干燥时间为12～48h。基于一个总的技术构思，本专利技术还提供一种锂硫电池，包括正极、负极、电解液和隔膜，所述隔膜为上述的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，所述正极为碳硫复合正极，所述负极为金属锂片，所述电解液包括1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚的混合物、双三氟甲基磺酸亚酰胺锂和硝酸锂。其中，1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚的混合物中，1,3-二氧戊环和乙二醇二甲醚的体积比为1:1，电解液中双三氟甲基磺酸亚酰胺锂的浓度为1～3M，硝酸锂浓度为0.1～0.3M。本专利技术主要根据以下专利技术思路：选择锂硫电池常用的商业化正常隔膜作为此次的改性对象，以商业化正常隔膜作为基体，在该膜靠近正极一侧的表面上涂覆一层含有柚皮基生物质炭气凝胶材料与导电剂的多孔阻挡层(优选采用双元素掺杂的柚皮基生物质炭气凝胶)，并且用该改性隔膜作为锂硫电池的专用隔膜，以碳硫复合材料作为正极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，其特征在于，包括隔膜本体和涂覆在所述隔膜本体靠近正极一侧表面的改性涂层，所述改性涂层包括柚皮基生物质炭气凝胶、导电剂和粘结剂，所述改性涂层具有多孔结构。

【技术特征摘要】
1.一种生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，其特征在于，包括隔膜本体和涂覆在所述隔膜本体靠近正极一侧表面的改性涂层，所述改性涂层包括柚皮基生物质炭气凝胶、导电剂和粘结剂，所述改性涂层具有多孔结构。2.根据权利要求1所述的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，其特征在于，所述隔膜本体为商用隔膜Celgard2400，所述的改性涂层的厚度为10～200μm。3.根据权利要求1所述的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，其特征在于，所述导电剂为科琴黑、乙炔黑和Super-P中的一种或几种；所述粘结剂为聚偏氟乙烯、聚乙烯醇和聚四氟乙烯中的一种或几种；所述柚皮基生物质炭气凝胶、导电剂和粘结剂的质量比为(5～8):(1～3):(2～5)。4.根据权利要求1所述的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，其特征在于，所述柚皮基生物质炭气凝胶由柚皮经过水热反应后冷冻干燥，再在氮气氛围中热解得到。5.根据权利要求1～4中任一项所述的生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜，其特征在于，所述柚皮基生物质炭气凝胶中掺杂有氮元素和硼元素。6.一种如权利要求1～5中任一项所述生物质炭气凝胶改性锂硫电池专用隔膜的制备方法，包括如下步骤：(1)将柚皮进行水热反应，再进行冷冻干燥，然后在氮气氛围里进行热解，得到柚皮基生物质炭气凝胶材料；(2)将粘结剂与溶剂混合，得到的粘结剂溶液与导电剂、所述步骤(1)后得到的柚皮基生物质炭气凝胶...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱琳，尤良军，沈湘黔，杨乐之，
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