一种锂硫电池的隔膜涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术记载了一种锂硫电池的隔膜涂层材料的设计及其制备方法。该材料由多种具有不同功能的子材料通过水热法合成，其子材料包括用于阻挡多硫化物穿过隔膜的具有高比表面积的捕获层，限制多硫化物逸散的吸附剂以及加速多硫化物转化的催化剂。本发明专利技术通过水热反应使得吸附剂以及催化剂生长于捕获层上，并涂覆于隔膜上，实现了捕获层先将游离的多硫化物进行捕获，再交由吸附剂固定以及在反应时由催化剂对多硫化物进行催化转化，有效抑制了多硫化物的穿梭效应，并提高了电池的性能。并提高了电池的性能。并提高了电池的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池的隔膜涂层材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂硫电池
，特别涉及一种锂硫电池的隔膜涂层材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂硫电池具有较高的理论比容量（1675mAh g
‑1），同时硫资源丰富，成本低廉，有助于其商业化。但是锂硫电池也面临着诸多的问题，比如（1）充放电产物硫和硫化锂的导电性较差，不利于容量的释放；（2）充放电的中间产物多硫化物（Li2Sn，4≤n≤8），在醚类电解液中具有较高的溶解度，使得其在电场和隔膜两侧浓差梯度的驱使下，多硫化物从硫一侧产生并溶解在电解液中，然后穿过隔膜到达锂一侧，并转化为Li2S和Li2S2永久地沉积。（3）电池充放电中，硫的转化涉及到固液固相的转化。即硫和硫化锂都难溶于电解液，因此是固相，而多硫化物则易溶于电解液，即为液相。其中液相转固相的转化的能量势垒较高，因此转化较为难，反应动力学缓慢。
[0003]常规的锂硫电池采用商业化聚丙烯腈隔膜，该隔膜表面有丰富的孔隙促进了离子的传输。但是也使得多硫化物能够穿过该孔隙到达金属一侧，并转化为硫化锂永久沉积，造成硫的损失。
[0004]因此有必要寻找一种相对简单，且更为高效的方法去抑制多硫化物的穿梭，并加快多硫化物的转化去提升锂硫电池的性能，推动其商业化。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种锂硫电池的隔膜涂层材料及其制备方法，以解决现有锂硫电池中多硫化物穿梭以及转化慢的问题。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案如下：一种锂硫电池的隔膜涂层材料及其制备方法，包括如下步骤：步骤1，将具有高比表面积的捕获层材料先在溶剂中搅拌，使其分散均匀；步骤2，将制备吸附剂所需的金属无机盐以及制备催化剂所需的金属无机盐加入到步骤1所得溶液中，搅拌均匀；步骤3：将辅剂加入到步骤2所得溶液中搅拌均匀；步骤4：将步骤3所得溶液进行水热反应，后清洗，离心，干燥；步骤5：将步骤4所得固体，在管式炉中通入气体进行高温反应；步骤6：将步骤5所得固体与粘接剂混合并加入有机溶剂制成浆料，后涂覆在锂硫电池隔膜上，最后烘干即可得到锂硫电池的隔膜涂层材料。
[0007]较佳的，溶剂为去离子水，甲醇，乙醇等中的一种或多种，优选去离子水，溶剂占水热反应的反应釜总容量的85％。
[0008]较佳的，具有高比表面积的捕获层材料可以但不局限于为石墨烯、氮化碳、碳纳米管、中空碳球中任意一种。
[0009]较佳的，制备吸附剂所需的金属无机盐为二价或三价铁离子的无机盐；制备催化剂所需的金属无机盐可以为钴、镍、钼、钨等金属无机盐中任意一种，优选二价或三价钴金属无机盐。
[0010]较佳的，辅剂为葡萄糖，尿素，三聚氰胺，硫脲中的一种或多种，优选硫脲。
[0011]较佳的，在获得的锂硫电池的隔膜涂层材料中，捕获层材料、吸附剂材料、催化剂材料的质量比为3：4：3。
[0012]较佳的，步骤4中，水热反应温度为180℃，水热反应时间为24h。
[0013]较佳的，水热反应之前，在步骤3所得溶液中额外加入助剂氟化铵，并搅拌均匀。
[0014]较佳的，步骤5中，管式炉中通入的气体为惰性气体，高温反应温度在550~650℃之间。
[0015]较佳的，步骤6中，粘结剂为聚偏氟乙烯，有机溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮。
[0016]与现有技术相比，本专利技术提供了一种锂硫电池的隔膜涂层材料及其制备方法。将具有高比表面积的材料，对多硫化物具有强吸附力的吸附剂材料以及加速多硫化物转化的催化剂材料进行结合，并涂覆在隔膜上。实现了在锂硫电池充放电过程中，对电解液中游离的多硫化物进行了捕获
‑
吸附
‑
催化，从根本上抑制了多硫化物的穿梭，提升了电池容量。
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图说明
[0018]图1 为锂硫电池的隔膜涂层材料设计的结构示意图。
[0019]图2 为本实施例5中涉及的石墨烯复合铁七硫八/二硫化钴异质结的X射线衍射图。
[0020]图3 为本实施例5中涉及的石墨烯复合铁七硫八/二硫化钴异质结的扫描电镜图。
[0021]图4 为本实施例5中涉及的石墨烯复合铁七硫八/二硫化钴异质结的高倍透射电镜图。
[0022]图5 为本实施例5中涉及的石墨烯复合铁七硫八/二硫化钴异质结的晶格示意图。
[0023]图6 为本实施例5中涉及的采用石墨烯复合铁七硫八/二硫化钴异质结修饰隔膜的锂硫电池以及其对照组在1A g
‑1的电流密度下的长循环性能图。
[0024]图7 为本实施例1
‑
5中涉及的采用异质结修饰隔膜的锂硫电池在1A g
‑1的电流密度下的长循环性能图。
[0025]附图标记说明：1
‑
捕获层材料，2
‑
吸附剂材料，3
‑
催化剂材料，11
‑
氧化还原石墨烯片层（rGO），21
‑
铁七硫八（Fe7S8），31
‑
二硫化钴（CoS2），101
‑
氮掺杂的氧化还原石墨烯复合铁七硫八/二硫化钴异质结（CoS2/Fe7S8/NG）修饰隔膜的电池的性能数据，102
‑
氮掺杂的氧化还原石墨烯复合二硫化钴（CoS2/NG）修饰隔膜的电池的性能数据，103
‑
氮掺杂的氧化还原石墨烯复合铁七硫八修饰隔膜的电池的性能数据（Fe7S8/NG），104
‑
氮掺杂的氧化还原石墨烯修饰隔膜的电池的性能数据（NG），105
‑
常规隔膜的锂硫电池的性能数据。
具体实施方式
[0026]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0027]一般来说，锂硫电池由硫正极，隔膜，锂负极，电解液，集流体构成。其充放电原理是硫到多硫化物到硫化锂的来回转化。
[0028]隔膜：位于正负极之间，起到阻断电子传输，导通离子的作用，并且需要一定的电解液浸润性。一般而言锂硫电池的隔膜采用聚丙烯（PP）隔膜。
[0029]捕获层：锂硫电池充放电过程中，整个硫正极一侧的电解液中都会存在大量溶解在电解液中的多硫化物，它们会在电场和浓差梯度的作用下穿过隔膜到达锂金属一侧。因此需要在隔膜面向硫正极一侧设立一个“网”去捕获多硫化物，使得其较难地通过隔膜。因此需要较大比表面积的材料去充当网的作用，其中石墨烯和氮化碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池的隔膜涂层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，将具有高比表面积的捕获层材料先在溶剂中搅拌，使其分散均匀；步骤2，将制备吸附剂所需的金属无机盐以及制备催化剂所需的金属无机盐加入到步骤1所得溶液中，搅拌均匀；步骤3：将辅剂加入到步骤2所得溶液中搅拌均匀；步骤4：将步骤3所得溶液进行水热反应，后清洗，离心，干燥；步骤5：将步骤4所得固体，在管式炉中通入气体进行高温反应；步骤6：将步骤5所得固体与粘接剂混合并加入有机溶剂制成浆料，后涂覆在锂硫电池隔膜上，干燥即得锂硫电池的隔膜涂层材料。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，溶剂为去离子水，甲醇，乙醇中的一种或多种，优选去离子水，溶剂占水热反应的反应釜总容量的85％。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具有高比表面积的捕获层材料为石墨烯、氮化碳、碳纳米管、中空碳球中任意一种。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，制备吸附剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王天奕，唐发琳，陈鹏，王赪胤，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：