一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法技术

一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法，它涉及一种提高锂硫电池性能的聚合物电解质正极和负极侧界面改性的制备方法。本发明专利技术主要解决电极与电解质间的不均匀的固

【技术实现步骤摘要】
一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法


[0001]本专利技术涉及一种提高锂硫电池性能的聚合物电解质正极和负极侧界面改性的方法。

技术介绍

[0002]随着电动汽车和便携式电子设备的广泛普及，人们对长周期寿命、高能量密度储能设备的需求越来越强烈。锂硫电池因其较高的理论比容量而在电化学储能设备中备受关注。然而，在锂硫电池的商业化和实用化发展道路上还存在许多障碍。这些障碍主要包括：1)复杂的电化学反应过程导致的体积膨胀，缩短电极寿命；2)活性硫及其反应产物导电性差，电化学极化大；3)穿梭效应严重，降低了硫的利用率。
[0003]因此，无论是从安全性的角度还是提高能量密度的角度考虑，开发聚合物电解质进而制备锂硫电池都是未来锂硫电池的最终形态。虽然采用聚合物电解质能够从根本上解决穿梭效应的问题，但对于聚合物电解质来说，聚合物基体在充放电过程中与多硫化物具有一定的相容性。并且在循环过程中，锂金属电池负极与电解质间的不均匀的固
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固接触会加重枝晶生长，同时，界面间严重的副反应导致难以生成利于锂离子迁移的稳定的SEI膜，导致在循环过程中极化增大。因此，对聚合物电解质进行正极侧和负极侧的界面改性可以有效提高负极
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电解质界面的稳定性，同时为正极表面失活的硫/硫化锂提供氧化还原反应活性位点。从本质上解决锂硫电池中存在的问题，符合锂硫电池商业化生产的要求。
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技术实现思路

[0005]本专利技术对现有技术中锂硫电池中电极与电解质间不均匀的固
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>固接触和在循环过程中界面间严重的副反应的问题，提出了一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法。
[0006]以柠檬酸钠为原料制备了超薄碳片材料作为聚合物电解质与正极和与负极的界面改性层。对于正极
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电解质界面，在电解质膜的正极侧制备超薄碳片涂层用于阻止多硫化物与聚合物基体的相容性，同时导电性强的超薄碳片作为第二集流体，为正极表面失活的硫/硫化锂提供氧化还原反应活性位点；对于负极
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电解质界面，将超薄碳片共混于聚合物电解质浆料中，在电解质膜的负极侧制备界面层，用于提高负极
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电解质界面的稳定性，缓解负极
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电解质界面的副反应，诱导生成稳定的SEI膜进而提高负极
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电解质界面的兼容性，提高电荷密度分布的均匀性进而缓解枝晶的生长。以上述方法制备的双侧涂层聚合物电解质组装的锂硫电池在室温下获得了优异的电化学性能。
[0007]1、本专利技术的目的可以通过以下方法实现：一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法，其特征在于一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法是按照以下步骤进行的：一、超薄碳片材料的制备
取1～4g柠檬酸钠在研钵中研磨20～40min，然后在球磨机中球磨，将粉末样品转移至管式炉中在氮气环境中退火，得到黑色碳粉；然后，将得到的黑色碳粉浸泡在盐酸溶液中超声清洗至无气泡后，静置10～14h；并且用去离子水和无水乙醇反复清洗至滤液呈中性；最后，将黑色碳粉转移至真空干燥箱中，于40～80℃烘干12～24h，得到超薄碳片材料；二、单侧涂层聚合物电解质的制备将超薄碳片材料、聚偏二氟乙烯和双三氟甲烷磺酰亚胺锂均匀分散于N
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甲基吡咯烷酮中，室温下搅拌12h，然后均匀地刮涂在铝箔上，在100～300℃真空烘干1～3h后得到超薄碳片材料涂层；接着将聚合物电解质浆料浇铸在涂层表面后，在真空干燥箱中烘干1～3h，获得具有超薄碳片材料界面修饰的单侧涂层聚合物电解质；三、双侧涂层聚合物电解质的制备取0.2～0.6g聚偏氟乙烯
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六氟丙烯和0.06～0.08g聚环氧乙烷
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聚环氧丙烷
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聚环氧乙烷溶于2～5mL N,N
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二甲基甲酰胺中，室温下搅拌10～12h，加入0.2～0.6g三氟甲烷磺酰亚胺锂继续搅拌得到均匀浆料，加入超薄碳片材料，继续搅拌4～8h后获得界面层前驱体浆料；将界面层浆料刮涂在洁净的玻璃板上，于100～300℃真空烘干1～3h得到新的界面层；将步骤二中制备的单侧涂层聚合物电解质膜覆盖在此界面层之上，聚合物电解质直接接触新的界面层，在100～300℃下真空烘干1～3h得到具有双重界面修饰的双侧涂层聚合物电解质；四、固态锂硫电池的组装将锂硫正极材料、乙炔黑、粘结剂混合，在室温下搅拌10～14h得到黑色浆料；将黑色浆料刮涂在铝箔上，在40～80℃下真空烘干12～24h得到正极极片待用；扣式锂硫电池组装过程中，不添加有机电解液；在水和氧气含量均小于0.1ppm充满氩气的手套箱中组装电池；将超薄碳片材料层修饰的一侧与正极接触；组装顺序为：2025扣式电池正极壳、锂硫电池正极极片、1～4μL离子液体、所制备的具有双重界面修饰的双侧涂层聚合物电解质、锂片、垫片、弹片、2025扣式电池负极壳的顺序组装扣式电池，用封口机封口后即完成电池组装，得到锂硫电池。
[0008]进一步地，步骤一中所述的在球磨机中球磨时间为10～12h。
[0009]进一步地，步骤一中所述的将粉末样品转移至管式炉中在氮气环境中退火时间为1～3h。
[0010]进一步地，步骤一中所述的将粉末样品转移至管式炉中在氮气环境中退火温度为650～750℃。
[0011]进一步地，步骤一中所述的将黑色碳粉浸泡盐酸溶液的浓度为10％～30％。
[0012]进一步地，步骤二中所述的超薄碳片材料、聚偏二氟乙烯和三氟甲烷磺酰亚胺锂按照质量比(6～10):1:1。
[0013]进一步地，步骤二中所述的将聚合物电解质浆料浇铸在涂层表面后，在真空烘干燥箱中的烘干温度为100～300℃。
[0014]进一步地，步骤三中所述的加入超薄碳片材料的质量为0.1～0.3g。
[0015]进一步地，步骤四中所述的锂硫正极复合材料、乙炔黑、粘结剂的质量比为5:2:(2～6)。
[0016]进一步地，步骤四中所述的离子液体为1
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丁基
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甲基吡咯烷双三氟甲磺酰亚胺。
[0017]本专利技术的增益效果：首先，本专利技术以柠檬酸钠为原料，在管式炉中退火，控制不同退火时间和退火温度合成出一种超薄碳片材料。在表面自由能的作用下，超薄碳片材料产生一定程度的弯曲。柠檬酸钠材料在管式炉中分为三次分解过程，在230～260℃时柠檬酸钠分解，当温度升高至380～500℃时为柠檬酸钠碳化过程，主要成分为C@Na2CO3。当温度持续升高时C@Na2CO3的结构被部分破坏，这归因于Na2CO3的活化和分解作用(Carbon.,2017,111:419e427)。在此过程中形成的无机产物经过酸洗后很容易被去除，并且在酸洗过程中在碳片表面形成微孔结构，多孔性可以起到一定的吸附作用。正极
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电解质界面，超薄碳片涂层材料作为第二集流体为正极与涂层界面之间提供了均匀的反应环境。导电性能越强，越有利于载流子在电极
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法，其特征在于一种对锂硫电池聚合物电解质的双重界面修饰的方法是按照以下步骤进行的：超薄碳片材料的制备取 1~4 g 柠檬酸钠在研钵中研磨20~40 min，然后在球磨机中球磨，将粉末样品转移至管式炉中在氮气环境中退火，得到黑色碳粉；然后，将得到的黑色碳粉浸泡在盐酸溶液中超声清洗至无气泡后，静置10~14 h；并且用去离子水和无水乙醇反复清洗至滤液呈中性；最后，将黑色碳粉转移至真空干燥箱中，于 40~80 ℃烘干 12~24 h，得到超薄碳片材料；单侧涂层聚合物电解质的制备将超薄碳片材料、聚偏二氟乙烯和双三氟甲烷磺酰亚胺锂均匀分散于N
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甲基吡咯烷酮中，室温下搅拌 12 h，然后均匀地刮涂在铝箔上，在100~300 ℃真空烘干 1~3 h后得到超薄碳片材料涂层；接着将聚合物电解质浆料浇铸在涂层表面后，在真空干燥箱中烘干 1~3 h，获得具有超薄碳片材料界面修饰的单侧涂层聚合物电解质；双侧涂层聚合物电解质的制备取0.2~0.6 g聚偏氟乙烯
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六氟丙烯和 0.06~0.08 g聚环氧乙烷
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聚环氧丙烷
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聚环氧乙烷 溶于 2~5 mL N,N
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二甲基甲酰胺中，室温下搅拌 10~12 h，加入 0.2~0.6 g双三氟甲基磺酰亚胺锂继续搅拌得到均匀浆料，加入超薄碳片材料，继续搅拌4~8 h 后获得界面层前驱体浆料；将界面层浆料刮涂在洁净的玻璃板上，于100~300 ℃真空烘干 1~3 h得到新的界面层；将步骤二中制备的单侧涂层聚合物电解质膜覆盖在此界面层之上，聚合物电解质直接接触新的界面层，在 100~300 ℃下真空烘干 1~3 h 得到具有双重界面修饰的双侧涂层聚合物电解质；固态锂硫电池的组装将锂硫正极材料、乙炔黑、粘结剂混合，在室温下搅拌 10~14 h 得到黑色浆料；将黑色浆料刮涂在铝箔上，在 40~80 ℃下真空烘干 12~24 h 得到正极极片待用；扣式锂硫电池组装过程中，不添加有机电解液...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽波，杨杭，单宇航，范书博，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：