锂硫电池隔膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种锂硫电池隔膜及其制备方法和应用。本发明专利技术的锂硫电池隔膜，包括静电纺丝基膜以及负载于所述静电纺丝基膜上的多壁碳纳米管；所述静电纺丝基膜以聚丙烯腈为基体，所述基体中包含纳米二氧化硅。本发明专利技术通过各组分的协同配合，可以有效抑制聚硫化物在Li

【技术实现步骤摘要】
锂硫电池隔膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电池
，具体而言，涉及一种锂硫电池隔膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池(LIB)由于具有循环寿命长、功率密度高、能量密度高等特点，被广泛用作便携式电子设备的供给电源。然而，锂离子电池在大规格应用，如电动汽车、固定储能等领域始终受到限制，这也一直激励着众多科研人员进一步开发出新型电池以解决在上述领域中的限制问题。锂
‑
硫(Li
‑
S)电池是一种很有前途的候选者，因为原料硫(S)含量丰富、成本相对较低、无毒、理论容量高(1675mAh g
‑
1)、能量密度高(2600Wh kg
‑
1)等诸多优势。
[0003]尽管有上述的优势，但锂
‑
硫电池目前还存在长周期循环寿命短、自放电大、库仑效率低等缺点，严重限制了其实际应用。这些缺点主要归因于聚硫锂(Li2S)进入到有机电解质中，导致正极活性物质的损失以及多硫化物的穿梭。为了获得高性能的Li
‑
S电池，抑制多硫化物的穿梭扩散是极其重要的。
[0004]为了解决Li
‑
S电池所面临的挑战，人们已经做出了许多努力，其中主要集中在S单质与导电材料(如多孔碳、石墨烯、碳纳米管、导电聚合物以及具有多硫化物吸收能力的氧化物，如TiO2，Al2O3等)复合形成复合材料的制备上。然而，这些手段会导致复杂的正极结构设计，这无疑阻碍了Li
‑
S电池的实用性。
[0005]众所周知，隔膜是所有液态电解质电池中不可或缺的一个关键部件。理想的Li
‑
S电池的隔膜不仅在吸收液体电解质后具有良好的离子导电性，而且在循环过程中还能减缓聚硫化物的扩散。目前，锂电池常用的隔膜材料是微孔聚丙烯(PP)，但其低孔隙率和电解质润湿性差的缺点严重阻碍了Li
‑
S电池的电化学性能发挥，尤其是倍率性能、长期循环稳定性能。
[0006]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0007]本专利技术的一个目的在于提供一种锂硫电池隔膜，以解决现有技术中的隔膜不能很好地抑制多硫化物的穿梭扩散，导致锂硫电池的电化学性能较差的技术问题。
[0008]本专利技术的另一个目的在于提供一种所述的锂硫电池隔膜的制备方法，该方法简单易行。
[0009]本专利技术的另一个目的在于提供一种所述的锂硫电池，其具有优异的电化学性能。
[0010]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0011]锂硫电池隔膜，包括静电纺丝基膜以及负载于所述静电纺丝基膜上的多壁碳纳米管；所述静电纺丝基膜以聚丙烯腈为基体，所述基体中包含纳米二氧化硅。
[0012]在一种实施方式中，所述纳米二氧化硅、聚丙烯腈和多壁碳纳米管的质量比为(200～1000):(2500～3500):(1.5～2.5)。
[0013]在一种实施方式中，所述纳米二氧化硅的粒径为10～20nm。
[0014]在一种实施方式中，所述多壁碳纳米管的外径为8～15nm，长度为40～60μm。
[0015]在一种实施方式中，所述聚丙烯腈的重均分子量为120000～160000g/mol。
[0016]在一种实施方式中，所述锂硫电池隔膜的有效面积密度为0.19～0.26mg/cm2。
[0017]在一种实施方式中，所述锂硫电池隔膜的厚度为2.8～3.2μm。
[0018]在一种实施方式中，所述锂硫电池隔膜的孔隙率为72％～77％。
[0019]在一种实施方式中，将部分或全部的所述二氧化硅替换为氧化铝和/或石墨烯。
[0020]在一种实施方式中，将部分或全部的多壁碳纳米管替换为石墨烯和/或活性炭。
[0021]如上所述的锂硫电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0022](a)将纳米二氧化硅、聚丙烯腈和有机溶剂形成的混合体系进行静电纺丝处理，得到静电纺丝基膜；
[0023](b)将多壁碳纳米管分散于醇溶剂中，采用真空抽滤的方式，将多壁碳纳米管负载至所述静电纺丝基膜上，得到锂硫电池隔膜。
[0024]在一种实施方式中，所述混合体系的制备方法，具体包括：将纳米二氧化硅分散在有机溶剂中，再与所述聚丙烯腈混合均匀。
[0025]在一种实施方式中，所述纳米二氧化硅和所述有机溶剂的用量比为(0.2～1)g:(40～60)mL。
[0026]在一种实施方式中，所述静电纺丝处理的电压为13～16kV，所述静电纺丝处理的进料速率为0.7～0.8mL/min。
[0027]在一种实施方式中，所述多壁碳纳米管与所述醇溶剂的用量比为(1.5～2.5)mg:(350～450)mL。
[0028]锂硫电池，包括如上所述的锂硫电池隔膜。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0030](1)本专利技术的锂硫电池隔膜，静电纺丝基膜具有多孔结构和良好的电解液润湿性，聚丙烯腈中的
–
C≡N和纳米SiO2配合，可缓解多硫化物的扩散；另外，多壁碳纳米管的存在可以进一步提高Li
‑
S电池的电化学性能，它不仅可以增加与阴极表面的接触面积，提供高活性材料利用率，也可抑制多硫化物的迁移，从而可避免它们的穿梭反应；通过各组分的协同配合，可促进锂硫电池的电化学性能发挥。
[0031](2)本专利技术的方法简单、高效。通过静电纺丝技术制备静电纺丝基膜，并采用简单抽滤的方式将多壁碳纳米管负载在静电纺丝基膜上。
[0032](3)本专利技术的锂硫电池具有优异的循环性能和倍率性能。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0034]图1为PAN/SiO2‑
10纳米纤维的扫描电镜图；
[0035]图2为PAN/SiO2‑
30纳米纤维的扫描电镜图；
[0036]图3为MWCNT的扫描电镜图；
[0037]图4为MWCNT的透射电镜图；
[0038]图5为MWCNT的高分辨率的透射电镜图；
[0039]图6为PAN、PAN/SiO2‑
10和PAN/SiO2‑
30纳米纤维膜的FT
‑
IR光谱；
[0040]图7为PAN/SiO2‑
10扫描速率为0.1mV s
‑1时的Li
‑
S电池循环伏安曲线图；
[0041]图8为PAN/SiO2‑
30扫描速率为0.1mV s
‑1时的Li
‑
S电池循环伏安曲线图；
[0042]图9本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.锂硫电池隔膜，其特征在于，包括静电纺丝基膜以及负载于所述静电纺丝基膜上的多壁碳纳米管；所述静电纺丝基膜以聚丙烯腈为基体，所述基体中包含纳米二氧化硅。2.根据权利要求1所述的锂硫电池隔膜，其特征在于，所述纳米二氧化硅、聚丙烯腈和多壁碳纳米管的质量比为(200～1000):(2500～3500):(1.5～2.5)。3.根据权利要求1所述的锂硫电池隔膜，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：(1)所述纳米二氧化硅的粒径为10～20nm；(2)所述多壁碳纳米管的外径为8～15nm，长度为40～60μm；(3)所述聚丙烯腈的重均分子量为120000～160000g/mol。4.根据权利要求1所述的锂硫电池隔膜，其特征在于，包含以下特征(1)至(3)中的至少一种：(1)所述锂硫电池隔膜的有效面积密度为0.19～0.26mg/cm2；(2)所述锂硫电池隔膜的厚度为2.8～3.2μm；(3)所述锂硫电池隔膜的孔隙率为72％～77％。5.根据权利要求1所述的锂硫电池隔膜，其特征在于，包含以下特征(1)至(2)中的至少一种：(1)将部分或全部的所述二氧化硅替换为氧化铝和/或石墨烯；(2)将部...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘静，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：