一种自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜及其制备方法以及具有该隔膜的锂硫电池技术

本发明专利技术公开了一种自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜及其制备方法以及具有该隔膜的锂硫电池。该锂硫电池隔膜，包括空白隔膜，所述空白隔膜的一侧涂覆有修饰涂层，所述修饰涂层中包含有自组装多级结构钒酸锌、导电剂和粘结剂。该锂硫电池隔膜的制备方法，通过水热合成法和化学气相沉积(CVD)法制备一种自组装多级结构钒酸锌，进而得到隔膜修饰浆料，将隔膜修饰浆料用刮刀均匀地涂覆于空白隔膜的一侧表面上，并在真空干燥箱中干燥，待干燥后裁剪为圆片，即得所述自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜。本发明专利技术修饰隔膜能有效抑制多硫化锂的穿梭效应，采用该隔膜的锂硫电池具有良好的循环性能和倍率性能。具有良好的循环性能和倍率性能。具有良好的循环性能和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜及其制备方法以及具有该隔膜的锂硫电池


[0001]本专利技术属于新能源电池
，涉及一种自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜及其制备方法以及具有该隔膜的锂硫电池。

技术介绍

[0002]随着人们对能源需求的日益增长，现有锂离子电池难以突破其理论极限及技术瓶颈，从而在一定程度上抑制了能源产业的进一步发展。锂硫电池，以其高理论能量密度(2500Wh Kg
‑1)、高比容量(1675mAh g
‑1)、正极材料矿产丰富、材料价格低廉、环境友好等优势逐渐被人们所关注，并被认为是下一代极具商业潜力的能量存储体系之一。
[0003]然而，锂硫电池的应用化进程却受诸多因素阻碍。首先，锂硫电池其正极材料硫及其放电终产物硫化锂的导电性较差，因此体系的反应动力学较差；其次，锂硫电池在充放电过程中，会生成大量易溶于电解液的长链多硫化锂，并在浓度梯度作用下形成“穿梭效应”，从而降低电池的能量效率；其次，正极材料硫在反应前后会发生约 80％的体积膨胀，易形成掉粉、脱落等情况，从而严重地影响电池的循环及倍率性能。为此，人们从正极材料修饰及隔膜修饰等多方面着手，研制出一系列高比表面、高孔隙率、强极性材料，并掺杂以催化异质原子，实现了对多硫化锂“穿梭效应”、正极活性材料硫体积膨胀的有效抑制，并加速了电池体系的氧化还原反应动力学，最终获得了循环、倍率性能优异的锂硫电池。CN 107863487B提供了一种多孔碳锂硫电池正极材料；CN 107230764B公开了一种高性能锂硫电池隔膜材料及其制备方法；CN104752702A公开了一种金属氧化物微纳米管锂硫电池正极材料，保障了锂硫电池充放电的稳定性。
[0004]钒酸锌作为一种过渡金属钒盐，其锌和钒均能够与锂发生氧化还原反应及合晶化，提供电池体系更多的能量，因此在锂离子电池得到了较为广泛地研究。但在锂硫电池中的应用并不充分，利用钒酸锌固有的多价态等特性，对其进行形貌控制、催化原子掺杂、极性吸附增强等研究，进而提高锂硫电池的循环及倍率性能将意义重大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于，通过水热法和化学气相沉积(CVD)法制备一种自组装多级结构钒酸锌，并提供一种自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜及其制备方法以及具有该隔膜的锂硫电池，该修饰隔膜能有效吸附多硫化锂，抑制其穿梭效应，加速多硫化锂转化，装配有该隔膜的锂硫电池其循环性能和倍率性能得到了提高。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，包括空白隔膜，所述空白隔膜的一侧均匀涂覆有修饰涂层，所述修饰涂层包含有自组装多级结构钒酸锌、导电剂和粘结剂。在空白隔膜的一侧均匀涂覆含有自组装多级结构钒酸锌的修饰涂层，自组装多级结构钒酸锌良好的电化学极性，能够有效地吸附锂硫电池充放电过程中产生的多硫化锂，抑制
其穿梭效应；同时，自组装多级结构钒酸锌中大量的催化活性位点也能够有效地对多硫化锂进行催化转化，减少活性物质的损耗，从而提高锂硫电池比容量、循环寿命及倍率性能。
[0008]上述的自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，优选的，所述修饰涂层的厚度为8
‑
40μm。修饰涂层越厚，其中含有的自组装多级结构钒酸锌越多，相应地对多硫化锂的吸附和催化性能越好，但是，修饰涂层过厚会影响锂硫电池中的离子传输速率，从而影响锂硫电池的比容量，综合考虑，选择8
‑
40μm的修饰涂层厚度较为合适。
[0009]上述的自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，优选的，所述修饰涂层中，自组装多级结构钒酸锌、导电剂和粘结剂的质量比为(6
‑
8)∶(3
‑
1)∶1。所述导电剂为科琴黑、导电炭黑Super
‑
P和乙炔黑中的一种或几种；所述粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)粘结剂。在修饰涂层中添加较多的自组装多级结构钒酸锌可增加对多硫化锂的吸附和催化作用；加入一定量的导电剂可增加修饰隔膜的导电性，从而增加离子传输速率；加入少量的粘结剂可增加涂层对空白隔膜的粘附效果，确保涂层不脱落。
[0010]上述的自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，优选的，所述空白隔膜为聚乙烯隔膜(PE)、聚丙烯隔膜(PP)或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合隔膜(PP/PE/PP)中的一种。
[0011]作为一个总的专利技术构思，本专利技术另一方面提供了一种上述自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0012](1.1)先将PVDF粘结剂以10
‑
20mg/ml的浓度溶解在有机溶剂N
‑
甲基吡咯烷酮 (NMP)中，再将导电剂加入有机溶剂并在搅拌速度为200
‑
400r/min下充分搅拌1
‑
2h，最后将自组装多级结构钒酸锌加入有机溶剂中并在搅拌速度为200
‑
400r/min下充分搅拌6
‑
10h，得到隔膜修饰浆料；
[0013](1.2)将步骤(1.1)得到的隔膜修饰浆料用涂覆厚度为10
‑
100μm的刮刀均匀地涂覆在空白隔膜的一侧表面上，并在真空干燥箱中55
‑
70℃温度下干燥12
‑
24h，待干燥后用裁剪器裁剪为直径19mm的圆片，即得所述自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜。
[0014]该隔膜制备方法操作简单、高效，只需在现有商用化空白隔膜一侧涂覆一层修饰涂料即可，无需额外耗费大量精力、物力去研制全新型隔膜。
[0015]上述的制备方法，优选的，所述步骤(1.1)中，自组装多级结构钒酸锌由如下步骤制备所得：
[0016](1.1.1)称取一定比例的五氧化二钒、硝酸锌、六次甲基四胺、硫酸钠、硝酸镍、硝酸钴充分混合于水中，并将混合溶液转移至带聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜，在鼓风干燥箱中加热进行水热反应；
[0017](1.1.2)将步骤(1.1.1)自然冷却后所得上层白色产物用水和酒精过滤洗涤数次，并转至真空干燥箱进行烘干；
[0018](1.1.3)将步骤(1.1.2)所得烘干样品放置于管式炉内，选取还原气氛进行退火处理，待自然冷却至室温后，即得所述自组装多级结构钒酸锌。
[0019]上述的制备方法，优选的，所述步骤(1.1.1)中，称取五氧化二钒质量为3.1
‑
3.3g，硝酸锌质量为2.3
‑
2.5g，六次甲基四胺质量为2.2
‑
2.3g，硫酸钠质量为3.9
‑
4.1g，硝酸镍质量为0.2
‑
0.3g，硝酸钴质量为0.2
‑
0.3g，水体积为280ml，所选聚四氟乙烯内衬体积为100ml，将混合溶液分装入4个高压反应釜中，在120℃的鼓风干燥箱中加热20
‑
30h；所述步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，包括空白隔膜，其特征在于：所述空白隔膜的一侧涂覆有修饰涂层，所述修饰涂层中包含有自组装多级结构钒酸锌、导电剂和粘结剂。2.根据权利要求1所述的自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，其特征在于：所述修饰涂层的厚度为8
‑
40μm；所述导电剂为科琴黑、导电炭黑Super
‑
P和乙炔黑中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，其特征在于：所述修饰涂层中，自组装多级结构钒酸锌、导电剂和粘结剂的质量比为(6
‑
8)∶(3
‑
1)∶1。4.根据权利要求1所述的自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜，其特征在于：所述空白隔膜为聚乙烯隔膜、聚丙烯隔膜或聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯复合隔膜中的一种；所述粘结剂为聚偏氟乙烯粘结剂。5.一种如权利要求1
‑
4中任一项所述的自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，先将PVDF粘结剂以10
‑
20mg/ml的浓度溶解在有机溶剂N
‑
甲基吡咯烷酮中，再将导电剂加入有机溶剂并在搅拌速度为200
‑
400r/min下充分搅拌1
‑
2h，最后将自组装多级结构钒酸锌加入有机溶剂中并在搅拌速度为200
‑
400r/min下充分搅拌6
‑
10h，得到隔膜修饰浆料；步骤2，将步骤1得到的隔膜修饰浆料用涂覆厚度为10
‑
100μm的刮刀均匀地涂覆在空白隔膜的一侧表面上，并在真空干燥箱中55
‑
70℃温度下干燥12
‑
24h，待干燥后用裁剪器裁剪为直径19mm的圆片，即得所述自组装多级结构钒酸锌修饰的锂硫电池隔膜。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1中自组装多级结构钒酸锌由如下步骤制备得到：步骤1.1，称取一定比例的五氧化二钒、硝酸锌、六次甲基四胺、硫酸钠、硝酸镍、硝酸钴充分混合于水中，并将混合溶液转移至带聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜，在鼓风干燥箱中加热进行水热反应；步骤1.2，将步骤1.1自然冷却后所得上层...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳志勇，程抱昌，赵婕，
申请(专利权)人：南昌大学，
类型：发明
国别省市：