一种双面异性隔膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种双面异性隔膜及其制备方法和应用。本发明专利技术所述双面异性隔膜包括基材隔膜、导电层和不导电层，所述导电层和不导电层分别位于所述基材隔膜的不同侧；所述导电层包括下述导电材料中的至少一种：过渡金属碳/氮化物、导电碳材料、金属硫化物、导电高分子材料等；所述不导电层包括下述不导电材料中的至少一种：金属有机框架MOF、共价有机框架COF、不导电聚合物等。本发明专利技术的双面异性隔膜在储能器件中应用时，可以通过两侧的导电层和不导电层阻止在充放电过程中产生的可溶性中间产物的穿梭效应，有利于提升电池的循环稳定性。有利于提升电池的循环稳定性。有利于提升电池的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种双面异性隔膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电化学电源领域，涉及一种双面异性隔膜的制备方法及其应用，具体涉及一种具有抑制可溶性中间产物穿梭效应的双面异性隔膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]由于化石燃料的过度消耗和严重的环境污染问题，人们迫切需要一种绿色、低成本的能量存储系统来满足日益增长的能源需求。目前，碱金属
‑
硫电池因其具有高的理论能量密度、无毒无害、环境友好以及价格低廉等优势，被认为是极具潜力的新一代储能设备之一。
[0003]然而，它们本身存在的缺陷严重制约了高能金属
‑
硫电池的发展。这些缺陷包括：1)硫及其放电产物电子导电性差，导致活性物质利用率低以及反应动力学缓慢；2)生成的中间体多硫化物极易溶解在电解液中，穿过隔膜迁移到负极区域并与金属锂发生副反应，导致库伦效率低和循环寿命差。因此，提高导电性以及抑制可溶性中间产物的穿梭效应在金属
‑
硫电池的研究中至关重要。目前，针对锂
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硫电池的这些问题已经研究出各种策略来进一步提高电池的性能，包括正极的结构设计、电解液优化、隔膜修饰以及锂负极的保护等。其中，隔膜是电池的重要组成部分之一，主要是用作电子绝缘体以防止短路以及提供锂离子的传输通道。目前商用隔膜通常与电解液的亲和性较差，而且一般是具有大量纳米孔的聚合物膜，这些孔的尺寸比多硫化物大得多，因此可溶性多硫化锂能够自由扩散通过隔膜并与锂负极发生反应，导致锂负极的降解。传统的商业隔膜无法阻挡中间体多硫化物的穿梭效应，导致电池库伦效率差以及容量不断地衰减等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种双面异性隔膜，包括基材隔膜、导电层和不导电层，所述导电层和不导电层分别位于所述基材隔膜的不同侧。即，基材隔膜位于导电层和不导电层之间。
[0005]根据本专利技术的实施方案，所述基材隔膜选自聚乙烯和/或聚丙烯。
[0006]根据本专利技术的实施方案，所述导电层包括下述导电材料中的至少一种：过渡金属碳/氮化物、导电碳材料、金属硫化物、导电高分子材料等。
[0007]优选地，所述过渡金属碳/氮化物选自MXene材料。本专利技术中所述MXene材料选自本
已知的MXene材料，例如选自Ti3C2‑
MXene、Ti2C
‑
MXene、Ti2N
‑
MXene、Cr2C
‑
MXene、Ta4C3‑
MXene、Ti3CN
X
‑
MXene、Ta4C3‑
MXene、Nb4C3‑
MXene、Nb2C
‑
MXene、V2C
‑
MXene、Mo2TiC2‑
MXene、Mo2C
‑
MXene、V4C3‑
MXene等中的至少一种。
[0008]优选地，所述导电碳材料选自碳纳米管、石墨烯、氧化还原石墨烯等中的至少一种。
[0009]优选地，所述金属硫化物选自VS2、TiS2、Co2S2、CoS2、WS2等中的至少一种。
[0010]优选地，所述导电高分子材料选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等中的至少一种。
[0011]示例性地，所述导电层选自Ti3C
2 MXene。
[0012]根据本专利技术的实施方案，所述不导电层包括下述不导电材料中的至少一种：金属有机框架MOF、共价有机框架COF、不导电聚合物等。
[0013]优选地，所述金属有机框架MOF选自本
已知的MOF材料。优选地，所述MOF材料为多孔材料。示例性地，所述金属有机框架MOF选自Cu
‑
TCPP、三聚体铬MOF(MIL
‑
100(Cr))、MIL
‑
101(Cr)、MIL
‑
100(Fe)、MIL
‑
125、Cu
‑
BTC、ZIF
‑
67、ZIF
‑
8、UiO
‑
66、Cu
‑
TCPP等中的至少一种。
[0014]优选地，所述共价有机框架COF选自CTF
‑
1、COF
‑
1、COF
‑
5、COF
‑
102、COF
‑
103、COF
‑
303等中的至少一种。
[0015]优选地，所述不导电聚合物选自聚环氧乙烯、聚偏氟乙烯、聚异戊二烯、聚甲基丙烯酸甲酯等中的至少一种。
[0016]示例性地，所述不导电层选自Cu
‑
TCPP。
[0017]根据本专利技术的实施方案，所述导电层的平均厚度为0.1
‑
10μm，优选为0.5
‑
1μm，例如为0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、2μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。
[0018]根据本专利技术的实施方案，所述不导电层的平均厚度为1
‑
10μm，优选为0.5
‑
1μm，例如为0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm、1μm、2μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。
[0019]根据本专利技术的实施方案，所述基材隔膜的平均厚度为5
‑
25μm，例如为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm。
[0020]根据本专利技术示例性的方案，所述的双面异性隔膜包括基材隔膜、导电层和不导电层，所述导电层和不导电层分别位于所述基材隔膜的不同侧，所述导电层为Ti3C
2 MXene层，所述不导电层为Cu
‑
TCPP层。
[0021]根据本专利技术的实施方案，所述导电层和不导电层通过减压过滤分别附着在基材隔膜的不同侧。
[0022]根据本专利技术的实施方案，所述双面异性隔膜具有抑制可溶性中间产物(如多硫化锂)穿梭效应。专利技术人发现，附着在基材隔膜上的导电层，作为可扩展电极，提高硫利用率；同时，导电层还可以通过物理或化学作用吸附充放电过程中产生的可溶性中间产物(如多硫化锂)。另一方面，附着在基材隔膜上的不导电层也具有吸附可溶性中间产物(如多硫化锂)能力，同时不导电层具有阻挡可溶性中间产物(如多硫化锂)穿梭效应作用。由此可知，本专利技术的隔膜不仅可以有效硫的利用率，同时可以实现可溶性中间产物的双重吸附。
[0023]本专利技术还提供上述双面异性隔膜的制备方法，所述制备方法包括通过减压抽滤的方法在基材隔膜的不同侧上附着导电层和不导电层。其中，所述基材隔膜、所述导电层和不导电层均具有如上文所述含义本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双面异性隔膜，其特征在于，所述双面异性隔膜包括基材隔膜、导电层和不导电层，所述导电层和不导电层分别位于所述基材隔膜的不同侧；所述导电层包括下述导电材料中的至少一种：过渡金属碳/氮化物、导电碳材料、金属硫化物、导电高分子材料等；所述不导电层包括下述不导电材料中的至少一种：金属有机框架MOF、共价有机框架COF、不导电聚合物等。2.根据权利要求1所述的双面异性隔膜，其特征在于，所述基材隔膜选自聚乙烯和/或聚丙烯。3.根据权利要求1或2所述的双面异性隔膜，其特征在于，所述过渡金属碳/氮化物选自MXene材料。优选地，所述MXene材料选自Ti3C2‑
MXene、Ti2C
‑
MXene、Ti2N
‑
MXene、Cr2C
‑
MXene、Ta4C3‑
MXene、Ti3CN
X
‑
MXene、Ta4C3‑
MXene、Nb4C3‑
MXene、Nb2C
‑
MXene、V2C
‑
MXene、Mo2TiC2‑
MXene、Mo2C
‑
MXene、V4C3‑
MXene等中的至少一种。优选地，所述导电碳材料选自碳纳米管、石墨烯、氧化还原石墨烯等中的至少一种。优选地，所述金属硫化物选自VS2、TiS2、Co2S2、CoS2、WS2等中的至少一种。优选地，所述导电高分子材料选自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺、聚噻吩等中的至少一种。示例性地，所述导电层选自Ti3C
2 MXene。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的双面异性隔膜，其特征在于，所述金属有机框架MOF为多孔材料。优选地，所述金属有机框架MOF选自Cu
‑
TCPP、三聚体铬MOF(MIL
‑
100(Cr))、MIL
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101(Cr)、MIL
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100(Fe)、MIL
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125、Cu
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BTC、ZIF
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67、ZIF
‑
8、UiO
‑
66、Cu
‑
TCPP等中的至少一种。优选地，所述共价有机框架COF选自CTF
‑
1、COF
‑
1、COF
‑
5、COF
‑
102、COF
‑
103、COF
‑
303等中的至少一种。优选地，所述不导电聚合物选自聚环氧乙烯、聚偏氟乙烯、聚异戊二烯、聚甲基丙烯酸甲酯等中的至少一种。优选地，所述不导电层选自Cu
‑
TCPP。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的双面异性隔膜，其特征在于，所述导电层的平均厚度为0.1

【专利技术属性】
技术研发人员：叶欢，刘毓鸿，曹菲菲，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：