改性隔膜及其制备方法及锂硫电池技术

本发明专利技术公开了一种改性隔膜及其制备方法及锂硫电池，属于电化学新材料的技术领域，改性隔膜由基础隔膜和复合材料改性层组成，其中复合材料改性层由基于卟啉的一种MOF材料以及导电剂复合而成；该制备方法主要以中‑四(4‑羧基苯基)卟吩、三水合硝酸铜、导电剂如石墨烯、碳纳米管等作为原料制得Cu

【技术实现步骤摘要】
改性隔膜及其制备方法及锂硫电池
本专利技术涉及电化学新材料的
，具体是涉及一种改性隔膜及其制备方法及锂硫电池。
技术介绍
当今世界上的煤炭、石油等化石能源消耗巨大，开发利用可再生清洁能源是改善能源结构、保障能源安全的重要举措。电池系统作为能量储存和释放的有效媒介，是目前新能源产业的研究重点。锂离子电池从商业化以来，以质量轻、绿色环保、寿命长等优势得到了广泛的应用，但其理论能量密度还难以充分满足大规模的产业应用，如电动汽车。针对此，研究人员找到一些替代的电池系统。其中，锂硫电池以1675mAh·g-1的理论比容量和2600Wh·kg-1的能量密度以及储量丰富的正极硫获得了关注。然而，其大规模产业化仍然面临着很大的挑战。硫及硫化锂的绝缘性从电子和离子上都导致了活性物质利用率的下降，且电池反应过程中的中间产物多硫化物Li2Sn(4≤n≤8)易溶于电解液中，导致活性材料损失到电解质中，部分到放电结束后才回到正极。部分在负极形成低阶多硫化锂后再次回到硫正极发生氧化反应，即相当于内部短路，导致电池的库伦效率降低，这就是锂硫电池的穿梭效应，也是影响锂硫电池性能的一大因素。为了解决这些问题，研究人员开展了许多研究，如硫与其他材料进行复合、电解质改性、隔膜的改性。其中，隔膜作为电池重要的组成部分，发挥着分离正负极、传递离子的重要作用，这说明通过对隔膜的组成进行改性或在隔膜两侧进行设计可以对锂硫电池穿梭效应产生良好的抑制作用。近年，金属有机框架(MOFs)材料在电池正极和隔膜的制备中得到了一定的研究与应用。如专利CN111403663A公开了一种锂硫电池改性隔膜，其通过在普通商用隔膜上交替抽滤Ce-MOF和CNTs，一定程度上，能够解决锂硫电池穿梭效应问题，提高了电池的比容量、库伦效率和循环寿命；然而，这样工艺方法，需要交替铺设Ce-MOF衍生且富含氧空位的CeO2-x/C材料层和活化CNTs层作为复合改性层，工艺较为复杂，不利于实现大规模化生产，因此，有必要开发设计一种更为简便而有效的隔膜改性方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提出一种改性隔膜及其制备方法，在应用于锂硫电池时，能够有效地抑制锂硫电池的穿梭效应，提升电池的比容量、库伦效率、倍率性能、循环寿命，且简化了工艺及结构，有利于实现大规模化生产，并降低生产成本。本专利技术的另一目的在于提出一种锂硫电池，该锂硫电池采用上述改性隔膜，大大提升了电池的比容量、库伦效率、倍率性能和循环寿命。本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：一种改性隔膜，其包括基础隔膜和复合材料改性层，所述复合材料改性层设置于所述基础隔膜的一侧，所述复合材料改性层的组成成分包括导电剂和Cu2TCPP-MOF。作为本专利技术的进一步改进，所述基础隔膜为PE隔膜、PP隔膜、PE/PP复合隔膜中的一种。作为本专利技术的进一步改进，所述导电剂为石墨烯或碳纳米管。作为本专利技术的进一步改进，所述复合材料改性层的负载量为0.3～0.6mg/cm2。一种改性隔膜的制备方法，包括以下步骤：a、取三水合硝酸铜和导电剂混合分散于溶剂A中，得分散液A；b、取中-四(4-羧基苯基)卟吩溶于溶剂B中，得溶液B；c、将分散液A和溶液B混合搅拌、超声、油浴加热合成Cu2TCPP-MOF，并得到Cu2TCPP-MOF和导电剂的复合材料；d、洗涤所得复合材料并将其均匀分散在溶剂C中，得分散液B，然后将分散液B抽滤在基础隔膜的一侧，自然干燥得改性隔膜，该改性隔膜包括基础隔膜和复合材料改性层。作为本专利技术的进一步改进，步骤a和步骤b中的溶剂A和溶剂B均由二甲基甲酰胺和乙醇按照3：1的比例配制，且导电剂在合成Cu2TCPP-MOF前就混合于溶剂A中。作为本专利技术的进一步改进，步骤c中超声的频率为25k～30kHz，油浴加热温度为80～85℃，反应时间为10～12h。作为本专利技术的进一步改进，步骤d中溶剂C为乙醇，并采用乙醇反复洗涤，使抽滤在基础隔膜上的Cu2TCPP-MOF和导电剂的质量比为1：1～3。一种锂硫电池，包括一负极、一正极和电解液，其特征在于，所述锂硫电池还包括所述的改性隔膜，所述改性隔膜的复合材料改性层正对所述锂硫电池的阳极设置。本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术提供的改性隔膜由基础隔膜和一层复合材料改性层组成，复合材料改性层包括Cu2TCPP-MOF与导电剂。其中Cu2TCPP-MOF具有暴露的N位点，可以与多硫化物有效结合以将它阻隔进而削弱锂硫电池的穿梭效应；导电剂(比如石墨烯)用于提供导电性，促进电子的转移，二者结合极大的提高了锂硫电池的比容量、倍率性能、库伦效率、循环稳定性。本专利技术提供的改性隔膜的制备方法，相对于现有技术，工艺较简单，有利于实现大规模化生产，并降低生产成本。本专利技术提供的锂硫电池，采用上述改性隔膜，相对于现有技术，大大提升了电池的比容量、库伦效率、倍率性能和循环寿命。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的
技术实现思路
，特举以下实施例详细说明，其目的仅在于更好理解本专利技术的内容而非限制本专利技术的保护范围。实施例1本实施例提供一种用于锂硫电池的改性隔膜，其包括基础隔膜和复合材料改性层，所述复合材料改性层设置于所述基础隔膜的一侧，所述复合材料改性层的组成成分包括导电剂和Cu2TCPP-MOF。其中，Cu2TCPP-MOF具有暴露的N位点，可以与多硫化物有效结合以将它阻隔进而削弱锂硫电池的穿梭效应；导电剂用于提供导电性，促进电子的转移，二者结合极大的提高了锂硫电池的比容量、倍率性能、库伦效率、循环稳定性。可选的，基础隔膜为聚乙烯(PE)隔膜、聚丙烯(PP)隔膜、PE/PP复合单层隔膜等，可以是其中的一种或多种。即基础隔膜为目前的商用电池隔膜的一种或多种，本实施例中，基础隔膜选用为聚丙烯(PP)隔膜Celgard2500。可选的，导电剂为石墨烯或碳纳米管。本实施例中，导电剂选用为石墨烯。本实施例提供的一种用于锂硫电池的改性隔膜的制备方法，具体步骤如下：a、取21.7mg三水合硝酸铜(Cu(NO3)2·3H20)和12.5mg石墨烯(GO)混合分散于30ml二甲基甲酰胺(DMF)和10ml乙醇的混合液中，得分散液A；b、取10.76mg中-四(4-羧基苯基)卟吩(TCPP)溶于15ml二甲基甲酰胺(DMF)和5ml乙醇的混合液中，得溶液B；c、将步骤a和步骤b得到的分散液A和溶液B混合搅拌并超声，然后在80℃的油浴锅中加热10h，合成Cu2TCPP-MOF，并得到Cu2TCPP-MOF和导电剂的复合材料；d、洗涤所得复合材料并将其均匀分散在乙醇中，形成分散热B，然后将分散液B抽滤在基础隔膜的一侧，自然干燥得用于锂硫电池的改性隔膜，该改性隔膜包括基础隔膜和复合材料改性层。其中，复合材料改性层的负载量为0.41mg/cm2，Cu2TCPP-MOF和石墨烯(GO)的质量比为1：1。...

【技术保护点】
1.一种改性隔膜，其特征在于，其包括基础隔膜和复合材料改性层，所述复合材料改性层设置于所述基础隔膜的一侧，所述复合材料改性层的组成成分包括导电剂和Cu

【技术特征摘要】
1.一种改性隔膜，其特征在于，其包括基础隔膜和复合材料改性层，所述复合材料改性层设置于所述基础隔膜的一侧，所述复合材料改性层的组成成分包括导电剂和Cu2TCPP-MOF。


2.根据权利要求1所述的改性隔膜，其特征在于：所述基础隔膜为PE隔膜、PP隔膜、PE/PP复合隔膜中的一种。


3.根据权利要求1所述的改性隔膜，其特征在于：所述导电剂为石墨烯或碳纳米管。


4.根据权利要求1所述的改性隔膜，其特征在于：所述复合材料改性层的负载量为0.3～0.6mg/cm2。


5.一种改性隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、取三水合硝酸铜和导电剂混合分散于溶剂A中，得分散液A；
b、取中-四(4-羧基苯基)卟吩溶于溶剂B中，得溶液B；
c、将分散液A和溶液B混合搅拌、超声、油浴加热合成Cu2TCPP-MOF，并得到Cu2TCPP-MOF和导电剂的复合材料；
d、洗涤所得复合材料并将...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟凤霞，
申请(专利权)人：一草环保科技上海有限公司，素水能源科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31