功能性锂硫电池隔膜及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种功能性锂硫电池隔膜及其制备方法。所述的功能性锂硫电池隔膜，其特征在于，包括多孔细菌纤维素膜以及采用界面聚合的方法聚合在多孔细菌纤维素膜上的带有负电荷的聚酰胺膜。本发明专利技术方法是目前最为有效的微孔膜制备技术，具有工艺简单、生产效率高、工业生产易实施和成本低廉等特点。本发明专利技术所制备的该微孔膜为隔膜的锂硫电池可直接用于混合动力车中，并且这种方法为聚合物微孔膜在锂硫电池方面的制备和运用提供了新途径。运用该方法制备的新型功能性锂硫电池隔膜在锂硫电池电化学性能方面具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
功能性锂硫电池隔膜及其制备方法
本专利技术涉及一种锂硫电池隔膜及其制备方法，属于锂硫电池隔膜的

技术介绍
全球能源与环境问题日益严峻的情况下，开发高效、清洁、可再生新能源的任务变得十分迫切。单质硫发生氧化还原反应时得失双电子，其作为正极材料时理论比容量达到1672mAhg-1，与金属锂组成的锂硫电池理论比能量高达2500Whkg-1。此外，单质硫在自然界储量丰富、价格便宜、环境友好，因而是目前最具潜力的新型储能材料之一，锂硫电池体系也被视为新一代的高能量密度电极材料体系。然而，硫正极在充放电过程中产生的多硫化锂(Li2Sx(x＝4～8))极易在电解液中溶解，并迁移扩散到负极与金属锂发生反应生成低级多硫化物(Li2Sx(x＝1～2))，这些多硫化物在隔膜等死体积内产生不可逆沉积，周而复始造成正极活性物质的严重流失并形成惰性绝缘层(这一现象也称为“穿梭效应(shuttleeffect)”)，致使锂硫电池的实际能量密度远低于其理论值，循环寿命也受到严重制约。隔膜材料作为电池的关键组件之一，在电池中起着隔离正、负极直接接触，阻止电池内的电子传输而允许电解液离子自由通过的作用。隔膜性能的优劣在根本上决定了电池的界面结构与内阻，并直接影响着电池的容量、循环性能以及安全性能等特性。尤其在锂硫电池中，由于正极硫在充放电过程中逐渐被还原为可溶解的多硫化物，而多硫化物不可避免地溶出并扩散穿过隔膜，进一步还原的低级多硫化物在隔膜等死体积内产生的不可逆沉积极大地阻碍了电子、离子传输和进一步的电化学反应，从而导致锂硫电池的实际容量降低并发生快速衰减。可见，高性能锂硫电池隔膜的设计和研发有望解决多硫化物的溶解和扩散问题，从而有效抑制“穿梭效应”，有望显著提高锂硫电池的综合性能。
技术实现思路
针对以上
技术介绍
所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种新型锂硫电池隔膜及其制备方法，以克服现有技术存在的缺陷，满足材料发展的需要。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种功能性锂硫电池隔膜，其特征在于，包括多孔细菌纤维素膜以及采用界面聚合的方法聚合在多孔细菌纤维素膜上的带有负电荷的聚酰胺膜。本专利技术还提供了上述的功能性锂硫电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括：第一步：采用氢氧化钠溶液洗涤细菌纤维素膜，再用去离子水洗涤至中性，采用冷冻干燥的方法将细菌纤维素膜冻干得到多孔细菌纤维素膜；第二步：采用界面聚合的方法，将多孔细菌纤维素膜浸泡在哌嗪水溶液中，取出，待表面水分挥发后，再将多孔膜浸泡在均苯三甲酰氯的有机溶液中，取出，热处理后，采用去离子水多次洗涤，以去除未反应的单体，最后在烘箱中烘干即得到功能性锂硫电池隔膜。优选地，所述的哌嗪水溶液浓度为0.05-0.5wt％。优选地，所述的均苯三甲酰氯的浓度为0.05-0.5wt％。优选地，所述的烘干为采用真空烘箱在70-90℃下对所得纳米纤维膜进行干燥处理12-48h。优选地，所述的有机溶剂为石油醚，正己烷，乙酸乙酯，二氯甲烷以及无水乙醚中的一种或几种。优选地，所述的热处理温度为70-90℃，热处理时间为10-30分钟。本专利技术的隔膜材料是在可生物降解的细菌纤维素膜上通过界面聚合的方法引入一层带负电荷的聚酰胺多孔膜，该多孔膜在带有负电荷的同时具有纳米级的孔隙尺寸，可对尺寸较大的多硫化物进行同性电荷相互排斥作用的同时，也具有一定的物理阻隔作用，且负电荷的多孔膜有益于锂离子的穿移，因此在对多硫化物起到双重阻隔作用，抑制多硫化物穿梭的同时，还可以促进锂离子的有效穿移，从而能够有效提高锂硫电池的工作电压、能量密度和热稳定性以及循环寿命。所述新型锂硫电池隔膜的制备技术采用的是界面聚合技术，该方法是目前最为有效的微孔膜制备技术，具有工艺简单、生产效率高、工业生产易实施和成本低廉等特点。与现有技术相比，本专利技术的优点是：1)由于采用的细菌纤维素膜属于生物质材料，因此环境友好，且来源丰富，成本低廉；2)采用界面聚合引入带负电荷的微孔膜层，可对多硫化物进行静电排斥和物理阻隔的双层作用；3)该新型隔膜具有较高的机械性能以及热稳定，所组装电池的综合性能及安全性得到的进一步提升；4)该新型锂硫电池隔膜在抑制多硫化物的同时，可以提高锂离子在正负极间的穿移性能，进一步提高电池性能。以上四个特点使得采用该专利技术所得的新型微孔膜材料所组装电池具有更加优异的电化学性能。使用本专利技术所制备的该微孔隔膜的锂硫电池可直接用于混合动力车中，并且这种方法为锂硫电池隔膜的制备和运用提供了新途径。运用该方法制备的新型功能性锂硫电池隔膜在锂硫电池电化学性能方面具有重要意义。本专利技术方法是目前最为有效的微孔膜制备技术，具有工艺简单、生产效率高、工业生产易实施和成本低廉等特点。本专利技术所制备的该微孔膜为隔膜的锂硫电池可直接用于混合动力车中，并且这种方法为聚合物微孔膜在锂硫电池方面的制备和运用提供了新途径。运用该方法制备的新型功能性锂硫电池隔膜在锂硫电池电化学性能方面具有重要意义。附图说明图1为细菌纤维素膜SEM图。图2聚酰胺/细菌纤维素复合膜SEM。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1一种功能性锂硫电池隔膜，包括多孔细菌纤维素膜以及采用界面聚合的方法聚合在多孔细菌纤维素膜上的具有更小孔隙的带有负电荷的聚酰胺膜。上述的功能性锂硫电池隔膜的制备方法为：第一步：采用质量浓度为0.05wt％的氢氧化钠溶液洗涤细菌纤维素膜(DEAE纤维素，上海源叶生物)三次，再用去离子水洗涤三次至中性，采用冷冻干燥的方法将细菌纤维素膜-45℃冷冻干燥48h得到多孔细菌纤维素膜，如图1所示；第二步：采用界面聚合的方法，将多孔细菌纤维素膜浸泡在0.05％的无水哌嗪水溶液中5分钟，取出待表面水分挥发后，再将浸泡过无水哌嗪的多孔膜浸泡在0.05％均苯三甲酰氯的石油醚溶液中3分钟进行界面聚合，取出在80℃烘箱中热处理25分钟后，采用去离子水洗涤3次，以去除未反应的单体，最后在烘箱中80℃烘干24h即得到功能性锂硫电池隔膜，其中，聚合在多孔细菌纤维素膜上的带有负电荷的聚酰胺膜的表面形貌如图2所示。将所得的功能性锂硫电池隔膜直接组装锂硫电池，并测试电池在0.5C的倍率下的电化学性能，结果为：初始放电比容量为1200mAhg-1，循环500次后的放电比容量为84％，如表1所示。实施例2一种功能性锂硫电池隔膜，包括多孔细菌纤维素膜以及采用界面聚合的方法聚合在多孔细菌纤维素膜上的具有更小孔隙的带有负电荷的聚酰胺膜。上述的功能性锂硫电池隔膜的制备方法为：第一步：采用质量浓度为0.05wt％的氢氧化钠溶液洗涤细菌纤维素膜三次，再用去离子水洗涤三次至中性，采用冷冻干燥的方法将细菌纤维素膜-45℃冷冻干燥48h得到多孔细菌纤维素膜；第二步：采用界面聚合的方法，将多孔细菌纤维素膜浸泡在0.08％的无水哌嗪水溶液中7分钟，取出待表面水分挥发后，再将浸泡过无水哌嗪的多孔膜浸泡在0.1％均苯三甲酰氯的石油醚溶液中5分钟进行界面聚合，取出再80℃烘箱中热处理20分钟后，采用去离子水洗涤3次，以去除未反应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功能性锂硫电池隔膜，其特征在于，包括多孔细菌纤维素膜以及采用界面聚合的方法聚合在多孔细菌纤维素膜上的带有负电荷的聚酰胺膜。

【技术特征摘要】
1.一种功能性锂硫电池隔膜，其特征在于，包括多孔细菌纤维素膜以及采用界面聚合的方法聚合在多孔细菌纤维素膜上的带有负电荷的聚酰胺膜。2.权利要求1所述的功能性锂硫电池隔膜的制备方法，其特征在于，包括：第一步：采用氢氧化钠溶液洗涤细菌纤维素膜，再用去离子水洗涤至中性，采用冷冻干燥的方法将细菌纤维素膜冻干得到多孔细菌纤维素膜；第二步：采用界面聚合的方法，将多孔细菌纤维素膜浸泡在哌嗪水溶液中，取出，待表面水分挥发后，再将多孔膜浸泡在均苯三甲酰氯的有机溶液中，取出，热处理后，采用去离子水多次洗涤，以去除未反应的单体，最后在烘箱中烘干即得到功能性锂硫电池隔膜。3.如权利要求2所述的功能性锂硫电池隔膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天西，雒香，卢先博，缪月娥，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31