一种锂硫电池的功能性夹层材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂硫电池技术领域，具体公开了一种锂硫电池的功能性夹层材料及其制备方法，其中该功能性夹层材料主要由氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂组成，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂相互混杂，其中，所述氨基介孔二氧化硅纳米片为经氨基修饰的、且具有介孔结构的二氧化硅纳米片，比表面积为750～1200cm

A functional sandwich material for lithium sulfur battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池的功能性夹层材料及其制备方法
本专利技术属于锂硫电池
，更具体地，涉及一种锂硫电池的功能性夹层材料及其制备方法。
技术介绍
锂硫电池因其较高的理论比容量(1675mA·hg-1)和能量密度(2600Wh·Kg-1)受到了国内外研究者的广泛关注，同时单质硫具有价格低廉、对环境友好、无毒且来源广泛等优点。因此，锂硫电池被预为下一代极具开发前景的储能系统。锂硫电池中存在的最大问题是多硫化物的“穿梭效应”，即单质硫在放电过程中被还原成多硫化物，其中可溶性的多硫化物会溶解在电解质中穿过隔膜到达负极并与负极锂发生一系列副反应造成电池活性物质的损失，使电池的各项性能下降。在电池的正极与隔膜之间加入功能性夹层材料可抑制多硫化物的溶解和扩散，阻止穿梭效应，减小活性物质的损失，提高锂硫电池的容量和循环性能，是抑制多硫化物“穿梭效应”的有效途径之一。科研工作者们制备夹层的方法通常包括抽滤、旋涂和刮涂等，例如用多孔碳、碳纳米管或者乙炔黑中的一种与氧化石墨抽滤成膜，由于抽滤的方法耗时较长而且成膜面积较小所以无法批量生产实现工业化；而例如用聚偏氟乙烯粉末作为黏合剂将氮化硼与石墨制成浆料进行刮涂，刮涂的方式简便快捷可批量生产，但是夹层成分除了必要的黏合剂与功能成分氮化硼外还包含了导电剂石墨，夹层成分的增加使夹层的重量和体积加大，降低电池的能量密度；又例如用聚苯乙烯磺酸钠与聚3,4-乙烯二氧噻吩旋涂成膜，旋涂所用的溶剂要求沸点低，使可用的溶剂范围减小，且旋涂面积小，使得生产效率低。可见，抽滤和旋涂过程复杂、耗时大，而且对设备要求高以及费用大，因此不利于批量生产；刮涂的方式工艺简单、生产效率高和工业生产易实施，但涂料除了必要的功能材料和黏合剂以外往往还要加入导电剂，夹层成分增加致使夹层的体积和厚度也随之加大，这将增大电池的体积和重量从而造成电池能量密度下降。因此，有待开发一种不仅成分少而且制备方法又简单高效的功能性夹层材料用于锂硫电池。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种锂硫电池的功能性夹层材料及其制备方法，其中通过对功能性夹层材料的组成成分、以及相应制备方法进行改进，与现有技术相比能够同时有效解决锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”问题、及锂硫电池功能性夹层成分过多且制备方法复杂以及无法批量生产实现工业化的问题，本专利技术采用氨基介孔二氧化硅纳米片，二氧化硅上修饰的氨基官能团与多硫化物之间有静电吸引力，可以阻隔多硫化物迁移，又可以在下一次的充放电循环中释放捕捉到的多硫化物进行电化学反应，解决锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”的问题；并且，该夹层材料可以仅由氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂构成，制备时可以将两者配成的浆料直接刮涂到锂硫电池正极片或商业隔膜形成，是一种成分少又可以通过刮涂的方式制备的功能性夹层材料，为功能性夹层材料在锂硫电池方面的制备和应用提供新途径。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种锂硫电池的功能性夹层材料，其特征在于，该功能性夹层材料主要由氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂组成，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂相互混杂，其中，所述氨基介孔二氧化硅纳米片为经氨基修饰的、且具有介孔结构的二氧化硅纳米片，比表面积为750～1200cm2/g，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂两者的质量比为5/1～1/2。作为本专利技术的进一步优选，所述黏合剂为Nafion、聚偏氟乙烯粉末、羧甲基纤维素粉末中的任意一种，所述Nafion为D-521分散液中的有效成分。作为本专利技术的进一步优选，所述氨基介孔二氧化硅纳米片中的介孔结构其孔径为3～9nm。作为本专利技术的进一步优选，所述锂硫电池的功能性夹层材料其厚度为1～30μm。按照本专利技术的另一方面，本专利技术提供了一种锂硫电池功能性夹层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备氨基介孔二氧化硅纳米片：将具有介孔结构的介孔二氧化硅纳米片与氨基硅烷偶联剂以5:1～1:5的质量比分散在溶剂中，然后在80℃～100℃下回流搅拌12～24h后，经抽滤、洗涤及干燥得到氨基介孔二氧化硅纳米片；所述介孔二氧化硅纳米片其比表面积为750～1200cm2/g；(2)用水或者有机溶剂将所述步骤(1)得到的所述氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂配成浆料，并混合均匀得到均匀分散的浆料；接着，将该浆料刮涂到负载材料上，充分干燥即可得到功能性夹层材料。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述具有介孔结构的介孔二氧化硅纳米片是按以下方法合成得到的：向氧化石墨浓度为0.1～5.0g/L的氧化石墨水溶液中加入阳离子表面活性剂和pH调节剂并分散均匀，然后在30～80℃下持续搅拌得到均匀分散的氧化石墨分散液，并使得该氧化石墨分散液的pH值为10～13，所述阳离子表面活性剂与所述氧化石墨水溶液中的氧化石墨两者的质量比为20:1～10:1；量取液态硅源与液态的醇化合物并混合得到硅/醇混合液，将该硅/醇混合液缓慢滴加到所述氧化石墨分散液中形成反应液A，将该反应液A在30℃～80℃下持续搅拌反应8～24h得到产物B，所述硅源与所述醇化合物的体积比为1:3～1:8，所述氧化石墨水溶液中氧化石墨与所述硅源两者的质量比为20:1～60:1；接着，将所述产物B离心分离取沉淀物，洗涤后在50℃～70℃下充分干燥得到固体粉末C；然后，用硝酸铵浓度为1.0g/L～10.0g/L的硝酸铵/乙醇溶液将该固体粉末C在85℃～95℃下回流反应6～10h，接着抽滤，并在50℃～70℃下充分干燥后在空气中于500℃～700℃下煅烧4～8h，从而得到介孔二氧化硅纳米片。作为本专利技术的进一步优选，所述阳离子表面活性剂为季胺盐类，为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵中的一种；所述pH调节剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、碳酸氢钠、磷酸氢二钠中的一种；所述分散优选是采用超声波分散；所述硅源为正硅酸四乙酯、六甲基二硅氧烷、二氧化硅溶胶中的一种。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、苯氨基甲基三乙氧基硅烷、苯氨基甲基三甲氧基硅烷、多氨基烷基三烷氧基硅烷中的一种；所述溶剂是水、丙酮、乙醇、甲醇、异丙醇、苯、甲苯中的一种；所述干燥是在50℃～80℃下真空干燥4～8h。作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(2)中，所述黏合剂为Nafion、聚偏氟乙烯粉末，羧甲基纤维素粉末中的一种；当所述黏合剂为Nafion时，具体是采用D-521分散液作为Nafion溶液，所述D-521分散液优选为有效成分质量百分浓度为5％的水/1-丙醇溶液，所述步骤(2)中所述用水或者有机溶剂将氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂配成浆料具体则是将该Nafion溶液直接与所述氨基介孔二氧化硅纳米片混合均匀后得到浆料的，或者是用水或醇试剂将所述氨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池的功能性夹层材料，其特征在于，该功能性夹层材料主要由氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂组成，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂相互混杂，其中，所述氨基介孔二氧化硅纳米片为经氨基修饰的、且具有介孔结构的二氧化硅纳米片，比表面积为750～1200cm

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池的功能性夹层材料，其特征在于，该功能性夹层材料主要由氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂组成，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂相互混杂，其中，所述氨基介孔二氧化硅纳米片为经氨基修饰的、且具有介孔结构的二氧化硅纳米片，比表面积为750～1200cm2/g，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂两者的质量比为5/1～1/2。


2.如权利要求1所述锂硫电池的功能性夹层材料，其特征在于，所述黏合剂为Nafion、聚偏氟乙烯粉末、羧甲基纤维素粉末中的任意一种，所述Nafion为D-521分散液中的有效成分。


3.如权利要求1所述锂硫电池的功能性夹层材料，其特征在于，所述氨基介孔二氧化硅纳米片中的介孔结构其孔径为3～9nm。


4.如权利要求1所述锂硫电池的功能性夹层材料，其特征在于，所述锂硫电池的功能性夹层材料其厚度为1～30μm。


5.一种锂硫电池功能性夹层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备氨基介孔二氧化硅纳米片：将具有介孔结构的介孔二氧化硅纳米片与氨基硅烷偶联剂以5:1～1:5的质量比分散在溶剂中，然后在80℃～100℃下回流搅拌12～24h后，经抽滤、洗涤及干燥得到氨基介孔二氧化硅纳米片；
所述介孔二氧化硅纳米片其比表面积为750～1200cm2/g；
(2)用水或者有机溶剂将所述步骤(1)得到的所述氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂配成浆料，并混合均匀得到均匀分散的浆料；接着，将该浆料刮涂到负载材料上，充分干燥即可得到功能性夹层材料。


6.如权利要求5所述锂硫电池功能性夹层材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述具有介孔结构的介孔二氧化硅纳米片是按以下方法合成得到的：
向氧化石墨浓度为0.1～5.0g/L的氧化石墨水溶液中加入阳离子表面活性剂和pH调节剂并分散均匀，然后在30～80℃下持续搅拌得到均匀分散的氧化石墨分散液，并使得该氧化石墨分散液的pH值为10～13，所述阳离子表面活性剂与所述氧化石墨水溶液中的氧化石墨两者的质量比为20:1～10:1；量取液态硅源与液态的醇化合物并混合得到硅/醇混合液，将该硅/醇混合液缓慢滴加到所述氧化石墨分散液中形成反应液A，将该反应液A在30℃～80℃下持续搅拌反应8～24h得到产物B，所述硅源与所述醇化合物的体积比为1:3～1:8，所述氧化石墨水溶液中氧化石墨与所述硅源两者的质量比为20:1～60:1；接着，将所述产物B...

【专利技术属性】
技术研发人员：解孝林，向晓，叶昀昇，周兴平，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42