锂硫电池复合一体化隔膜及制备方法和锂硫电池技术

本发明专利技术提供了一种锂硫电池复合一体化隔膜及制备方法和锂硫电池，涉及锂硫电池技术领域。该锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，先采用静电纺丝技术制得聚酰胺酸纤维膜，再将聚酰胺酸纤维膜进行热亚酰胺化处理得到聚酰亚胺纤维膜，然后对聚酰亚胺纤维膜表面进行CO2激光辐照，得到锂硫电池复合一体化隔膜；其中，CO2激光辐照聚酰亚胺纤维膜，可诱导聚酰亚胺纤维膜表层碳化，且瞬态热冲击过程导致生成的多孔碳富含本征缺陷，进而构筑三维蓬松泡沫结构，而且所形成的多孔碳与底层的聚酰亚胺纤维膜无缝衔接，形成具有贯通发达的孔隙结构、高机械稳定性、高柔韧性和高耐热性的多孔碳与聚酰亚胺纤维膜复合的一体化隔膜。酰亚胺纤维膜复合的一体化隔膜。酰亚胺纤维膜复合的一体化隔膜。

【技术实现步骤摘要】
锂硫电池复合一体化隔膜及制备方法和锂硫电池


[0001]本专利技术涉及锂硫电池
，尤其是涉及一种锂硫电池复合一体化隔膜及制备方法和锂硫电池。

技术介绍

[0002]隔膜作为锂硫电池的关键组件，不仅要保证电子绝缘性和锂离子通透性，还要能够阻挡多硫化物跨膜扩散、抑制穿梭效应。传统的锂硫电池隔膜主要为聚烯烃类隔膜，例如聚丙烯(PP)隔膜、聚乙烯(PE)隔膜以及多层复合隔膜(PP/PE两层复合隔膜或者PP/PE/PP三层复合隔膜)。这类隔膜具有良好的化学稳定性和高的孔隙率，但是对醚类电解液的润湿性差、吸液率低；而且热稳定性差，易引发安全问题。最可惜的是，多硫化物很容易在正负极之间穿梭，导致活性物质失活、电池容量快速衰退。
[0003]解决上述问题的一种有效方法是在隔膜的正极侧表面涂覆一层功能材料(比如导电碳材料、无机金属类材料)，通过空间限域和化学吸附作用将多硫化物限制在正极侧，还可以通过催化多硫化物转化进一步提高电池电化学性能。然而，该类改性隔膜制备过程繁琐、制备周期较长、成本较高，且粉末类功能材料需要借助粘结剂与隔膜复合，有涂覆不均、一致性较差、易脱落、界面阻力大等问题。另外，各种新型功能化隔膜(比如锂化Nafion膜，聚酰亚胺(PI)纤维膜、聚丙烯腈/聚甲基丙烯酸甲酯(PAN/PMMA)共混纤维膜等)也被开发应用到锂硫电池中，通过隔膜孔径调控或静电吸附/排斥作用抑制穿梭效应。然而，这种静电作用成效有限，且已脱离正极的硫物种无法在绝缘隔膜上继续参与电化学反应，导致活性物质失活、电池容量降低。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术以解决上述技术问题中的至少一个。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，以缓解现有技术中存在的技术问题。
[0006]本专利技术的第二目的在于提供一种锂硫电池复合一体化隔膜，采用上述制备方法制得。
[0007]本专利技术的第三目的在于提供一种锂硫电池，包含上述锂硫电池复合一体化隔膜。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0009]本专利技术提供了一种锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0010](a)提供聚酰胺酸纺丝液；
[0011]将聚酰胺酸纺丝液进行静电纺丝，得到聚酰胺酸纤维膜；
[0012](b)将聚酰胺酸纤维膜在空气中进行热亚酰胺化处理，得到聚酰亚胺纤维膜；
[0013](c)采用CO2激光器对聚酰亚胺纤维膜的表面进行辐照，得到锂硫电池复合一体化隔膜。
[0014]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(a)中，所述聚酰胺酸纺丝液
中聚酰胺酸的质量分数为16.9
‑
17.5％。
[0015]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，所述聚酰胺酸纺丝液的制备方法包括以下步骤：
[0016]将二元胺、二酐和溶剂混合使发生反应，得到聚酰胺酸纺丝液；
[0017]优选的，所述二元胺包括4,4
’‑
二氨基二苯醚、对苯二胺或2,2
’‑
二(三氟甲基)二氨基联苯中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为4,4
’‑
二氨基二苯醚；
[0018]优选的，所述二酐包括均苯四甲酸酐、联苯四甲酸二酐或六氟二酐中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为均苯四甲酸酐；
[0019]优选的，所述溶剂包括N,N二甲基甲酰胺和/或N,N二甲基乙酰胺；
[0020]优选的，所述二元胺和二酐的摩尔比为(0.98
‑
1.02)：(0.97
‑
1.03)；
[0021]优选的，所述反应的温度为0
‑
10℃，反应的时间为6
‑
7h。
[0022]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(a)中，所述静电纺丝的工艺参数包括：
[0023]静电纺丝的电压为12
‑
18kV，注射器的给液速率为5
‑
15μL/min，接收器转速为25
‑
30r/min，纺丝时间为2
‑
3h。
[0024]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(a)中，所述聚酰胺酸纤维膜的厚度为160
‑
170μm。
[0025]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(b)中，所述热亚酰胺化处理包括对聚酰胺酸纤维膜在空气中进行阶段式升温的步骤，升温速率为2
‑
5℃/min；
[0026]优选的，所述阶段式升温包括先升温至80
‑
100℃保温1
‑
2h，然后升温至160
‑
200℃保温1
‑
2h，再升温至250
‑
280℃保温1
‑
2h，然后升温至300
‑
320℃保温0.5
‑
1h，最后升温至350℃保温0.5
‑
1h。
[0027]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，步骤(c)中，CO2激光器的波长为10.6μm；
[0028]优选的，步骤(c)中，CO2激光辐照所采用的激光功率为6
‑
9W，所采用的激光扫描速度为250
‑
375mm/s。
[0029]本专利技术还提供了一种锂硫电池复合一体化隔膜，采用上述锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法制成。
[0030]本专利技术还提供了一种锂硫电池，包含上述锂硫电池复合一体化隔膜。
[0031]进一步的，在本专利技术上述技术方案的基础之上，所述锂硫电池主要由碳管/硫正极、金属锂负极、锂硫醚类电解液和锂硫电池复合一体化隔膜组装而成。
[0032]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术效果：
[0033](1)本专利技术提供了一种锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，先采用静电纺丝技术制得聚酰胺酸纤维膜，再将聚酰胺酸纤维膜进行热亚酰胺化处理得到聚酰亚胺纤维膜，然后对聚酰亚胺纤维膜表面进行CO2激光辐照，得到锂硫电池复合一体化隔膜；
[0034]其中，采用静电纺丝的方式对聚酰胺酸纺丝液进行处理，可确保所制得的聚酰胺酸纤维膜具有高的柔韧性和热稳定性，保证了后续CO2激光处理过程中聚酰亚胺纤维膜底层结构保持稳定；CO2激光辐照聚酰亚胺纤维膜，可诱导聚酰亚胺纤维膜表层碳化，且瞬态热冲击过程导致生成的多孔碳富含本征缺陷，进而构筑三维蓬松泡沫结构，而且所形成的
多孔碳与底层的聚酰亚胺纤维膜无缝衔接，形成具有贯通发达的孔隙结构、高的机械稳定性、高的柔韧性和高的耐热性的多孔碳与聚酰亚胺纤维膜复合的一体化隔膜。
[0035](2)本专利技术提供了一种锂硫电池复合一体化隔膜，采用上述制备方法制得。鉴于上述制备方法所具有的优势，使得所制得的锂硫电池复合一体化隔膜中，表层多孔碳具有优异的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)提供聚酰胺酸纺丝液；将聚酰胺酸纺丝液进行静电纺丝，得到聚酰胺酸纤维膜；(b)将聚酰胺酸纤维膜在空气中进行热亚酰胺化处理，得到聚酰亚胺纤维膜；(c)采用CO2激光器对聚酰亚胺纤维膜的表面进行辐照，得到锂硫电池复合一体化隔膜。2.根据权利要求1所述的锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述聚酰胺酸纺丝液中聚酰胺酸的质量分数为16.9
‑
17.5％。3.根据权利要求2所述的锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，其特征在于，所述聚酰胺酸纺丝液的制备方法包括以下步骤：将二元胺、二酐和溶剂混合使发生反应，得到聚酰胺酸纺丝液；优选的，所述二元胺包括4,4
’‑
二氨基二苯醚、对苯二胺或2,2
’‑
二(三氟甲基)二氨基联苯中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为4,4
’‑
二氨基二苯醚；优选的，所述二酐包括均苯四甲酸酐、联苯四甲酸二酐或六氟二酐中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选为均苯四甲酸酐；优选的，所述溶剂包括N,N二甲基甲酰胺和/或N,N二甲基乙酰胺；优选的，所述二元胺和二酐的摩尔比为(0.98
‑
1.02)：(0.97
‑
1.03)；优选的，反应的温度为0
‑
10℃，反应的时间为6
‑
7h。4.根据权利要求1所述的锂硫电池复合一体化隔膜的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述静电纺丝的工艺参数包括：静电纺丝的电压为12
‑
18kV，注射器的给液速率为5
‑
15μL/min，接收器转速为25
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梦迪，牟佳伟，吴明铂，胡涵，董志亮，陈蓓，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：