锂硫电池用隔膜和包含其的锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及锂硫电池用隔膜和包含其的锂硫电池。所述锂硫电池用隔膜包含：隔膜基材；在所述隔膜基材的至少一个表面上形成的第一涂层；和在所述第一涂层上形成的第二涂层。所述第一涂层包含聚多巴胺，并且所述第二涂层包含锂取代的水溶性聚合物。

Separators for lithium sulfur batteries and lithium sulfur batteries containing them

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂硫电池用隔膜和包含其的锂硫电池
本申请要求于2017年10月25日在韩国知识产权局(KIPO)提交的韩国专利申请第10-2017-0138965号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。本专利技术涉及一种锂硫电池用隔膜和包含其的锂硫电池。更具体地，本专利技术涉及包含含有锂取代的水溶性聚合物的涂层的锂硫电池用隔膜、以及包含所述隔膜的锂硫电池。
技术介绍
近年来，电子产品、电子装置、通信装置等的小型轻量化设计的趋势迅速发展，并且由于环境问题而出现了对这些产品的极大需求，因此对用作电动汽车用电源的二次电池的性能提高的要求也日益增加。其中，锂二次电池由于其具有高能量密度和高标准电极电位而作为高性能电池备受关注。具体地，锂硫(Li-S)电池是其中具有硫-硫键(S-S键)的含硫材料被用作正极活性材料且锂金属被用作负极活性材料的二次电池。作为正极活性材料的主要材料的硫的优点在于，其资源非常丰富，没有毒性，并且原子量低。另外，由于锂硫电池的理论放电容量为1675mAh/g硫，理论能量密度为2600Wh/kg，所述值显著高于正在研究的其他电池系统的理论能量密度(Ni-MH电池：450Wh/kg，Li-FeS电池：480Wh/kg，Li-MnO2电池：1000Wh/kg和Na-S电池：800Wh/kg)，因此锂硫电池是目前正在开发的最有前景的电池之一。在锂硫电池的放电反应期间，在负极中发生锂的氧化反应，且在正极中发生硫的还原反应。放电前，硫具有环状S8结构。在这种情况下，使用氧化还原反应产生电能，其中在还原反应(放电)期间，随着S-S键的断裂，S的氧化数减少，而在氧化反应(充电)期间，随着S-S键的重新形成，S的氧化数增加。在该反应过程中，通过在环状S8中的还原反应，将硫转化为具有线性结构的多硫化锂(Li2Sx，其中x＝8,6,4,2)。最后，通过完全还原这种多硫化锂而生成硫化锂(Li2S)。在其中硫被还原成相应多硫化锂的过程中，锂硫电池的放电行为不同于锂离子电池，其特征在于，阶段性地显示放电电压。在诸如Li2S8、Li2S6、Li2S4、Li2S2等的多硫化锂中，具有高硫氧化数的多硫化锂(Li2Sx，其中典型地，x>4)特别容易溶于亲水性电解液中。可溶于电解液的多硫化锂由于浓度差而向远离形成多硫化锂的正极的一侧扩散。以这种方式从正极溶出的多硫化锂从正极反应区中损失，从而使得不可能阶段性地还原为硫化锂(Li2S)。也就是说，因为从正极和负极中逸出并以溶解相残留的多硫化锂不能参与电池的充放电反应，所以可能导致正极中参与电化学反应的硫材料的量减少，这是导致锂硫电池的充电容量降低和能量降低的主要原因。因为诸如聚乙烯(PE)或聚丙烯(PP)的材料通常用于锂硫电池的隔膜，所以隔膜的表面由于材料的性质而是疏水性的。为了通过与水溶性电解质的相互作用来提高锂硫电池的性能，在现有技术中已经讨论了将水溶性材料引入隔膜的方法。为了将水溶性材料引入疏水性隔膜中，现有技术已经使用在增加水溶性材料的粘度之后涂布水溶性材料的方法、使用有机溶剂代替现有溶剂的方法等。然而，当使用这样的方法时，存在的问题是，材料不能以获得所需粘度的量溶解、或者涂布溶液由于有机溶剂而渗透到隔膜的孔隙中，从而在干燥后堵塞孔。因此，本领域中需要一种将水溶性材料引入隔膜的改进方法。另外，还需要一种通过这种方法而引入了水溶性材料的隔膜。
技术实现思路
技术问题为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种锂硫电池用隔膜，其能够通过在隔膜和水溶性涂层之间引入聚多巴胺涂层和利用包含锂取代的水溶性聚合物的水溶性涂层改善电解液与隔膜之间的相互作用来提高锂硫电池的性能。技术方案根据本专利技术的第一方面，提供一种锂硫电池用隔膜，其包含：隔膜基材；在所述隔膜基材的至少一个表面上形成的第一涂层；和在所述第一涂层上形成的第二涂层。根据本专利技术的一个示例性实施方式，所述第一涂层包含聚多巴胺，且所述第二涂层包含锂取代的水溶性聚合物。根据本专利技术的一个示例性实施方式，所述水溶性聚合物是通过含有一个以上羧基的单体的聚合而形成的，并且含有所述羧基。根据本专利技术的一个示例性实施方式，所述水溶性聚合物为聚丙烯酸。根据本专利技术的一个示例性实施方式，存在于所述水溶性聚合物的羧基中的氢的50％以上被锂取代。根据本专利技术的第二方面，提供一种用于制造锂硫电池用隔膜的方法，其包含如下步骤：(1)将多巴胺和溶剂混合以制备第一组合物；(2)用所述第一组合物涂布隔膜基材以形成第一涂层；(3)将水溶性聚合物和锂前体混合以制备第二组合物；和(4)用所述第二组合物涂布所述第一涂层以形成第二涂层，其中，在所述步骤(1)中，使所述溶剂中的所述多巴胺自聚合而形成聚多巴胺。根据本专利技术的一个示例性实施方式，在所述步骤(3)中，基于所述水溶性聚合物的羧基，以50摩尔％至200摩尔％添加并混合所述锂前体。根据本专利技术的第三方面，提供一种包含上述隔膜、正极、负极和电解液的锂硫电池，其中将所述隔膜置于所述正极与所述负极之间。有益效果根据本专利技术的锂硫电池用隔膜可以应用于锂硫电池，因此具有可以提高电解液与隔膜之间的相互作用以防止在重复的充电/放电循环过程中锂硫电池的充电容量降低和能量降低的优点。附图说明图1为根据本专利技术的示例性实施方式的锂硫电池用隔膜的剖视图。图2为根据本专利技术的示例性实施方式的锂硫电池的剖视图。图3为示出在本专利技术的实施例1以及比较例1和2中制造的锂硫电池的初始比容量的图。图4为示出在本专利技术的实施例1和比较例1至3中制造的锂硫电池的初始比容量的图。图5为示出在本专利技术的实施例1以及比较例1和2中制造的锂硫电池的寿命特性的图。图6为示出在本专利技术的实施例1以及比较例1和2中制造的锂硫电池的寿命特性的图。图7为示出在本专利技术的实施例2和比较例1中制造的锂硫电池的寿命特性的图。图8为示出在本专利技术的实施例1和3至6以及比较例1和2中制造的锂硫电池的寿命特性的图。图9为示出在本专利技术的实施例1和比较例7中制造的锂硫电池的寿命特性的图。具体实施方式根据本专利技术提供的示例性实施方式全部可以通过以下描述来体现。因此，应理解，以下描述仅出于说明本专利技术的优选实施方式的目的而给出，而不是为了限制本专利技术。锂硫电池用隔膜本专利技术提供一种锂硫电池用隔膜，其包含：隔膜基材，在所述隔膜基材的至少一个表面上形成的第一涂层以及在所述第一涂层上形成的第二涂层。所述隔膜基材的至少一个表面是指面向正极或负极的一个表面，或包含所述一个表面和与所述一个表面相对的表面的两个表面。图1为根据本专利技术的一个示例性实施方式的锂硫电池用隔膜的剖视图，其中在隔膜基材的一个表面上形成第一涂层和第二涂层。所述隔膜基材没有特别限制，只要其具有透过电解质和离子的能力且通常用于现有技术即可。然而，作为多孔的非导电的或绝缘的材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池用隔膜，其包含：/n隔膜基材；/n在所述隔膜基材的至少一个表面上形成并且包含聚多巴胺的第一涂层；和/n在所述第一涂层上形成并且包含锂取代的水溶性聚合物的第二涂层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171025 KR 10-2017-01389651.一种锂硫电池用隔膜，其包含：
隔膜基材；
在所述隔膜基材的至少一个表面上形成并且包含聚多巴胺的第一涂层；和
在所述第一涂层上形成并且包含锂取代的水溶性聚合物的第二涂层。


2.根据权利要求1所述的锂硫电池用隔膜，其中所述水溶性聚合物是通过含有一个以上羧基的单体的聚合反应而形成的，并且含有所述羧基。


3.根据权利要求2所述的锂硫电池用隔膜，其中所述水溶性聚合物为聚丙烯酸。


4.根据权利要求2所述的锂硫电池用隔膜，其中存在于所述水溶性聚合物的羧基中的氢的50％以上被锂取代。


5.根据权利要求1所述的锂硫电池用隔膜，其中所述第一涂层的厚度为0.1μm～100μm。


6.根据权利要求1所述的锂硫电池用隔膜，其中所述第二涂层的厚度为0.1μm～100μm。


7.一种制造根据权利要求1所述的锂硫电池用隔膜的方法，其包含如下步骤：
(1)将多巴胺和溶剂混合以制备第一组合物；...

【专利技术属性】
技术研发人员：金善珍，申东析，梁斗景，
申请(专利权)人：株式会社LG化学，
类型：发明
国别省市：韩国;KR