[发明专利]一种含有阻挡层的锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种含有阻挡层的锂硫电池，属于电化学电池领域。

背景技术

二十一世纪的今天，锂二次电池面临着高能量密度的更高要求。锂硫电池是以单质硫为正极，金属锂为负极的二次电池。锂硫电池与传统锂离子电池相比，理论容量有着非常明显的优势，其理论容量高达1675mAh/g。且单质硫具有价格低、资源丰富、环境友好等特点，已经成为下一代高能密度锂二次电池的研究和开发的热点。但锂硫电池也面临着一些严重的问题：硫单质本身导电性差；充放电过程中会生成一系列反应中间体，这些反应中间体包括溶解度高的多硫化物，会溶解于电解液中引起“穿梭效应”，以及溶解度低的Li₂S₂和硫化锂，会沉积在导电骨架外表面导致正极活性物质硫不断损失，从而导致电池容量大幅衰减；另外，在锂硫电池充放电过程中高达80％的体积膨胀会导致活性物质硫与导电骨架的脱离从而破坏电池结构，造成电池容量的不可逆衰减。

为了解决这些问题，研究者做了一系列工作，例如通过将硫单质和碳混合提高正极材料活性物质的导电性；制备孔道结构或核壳结构的碳使活性物质硫在基质材料上高度分散，保证了电子离子的高效传输并有效抑制了充放电过程中的体积膨胀；对基底材料进行化学处理，通过化学作用利用材料表面官能团抑制多硫化物的溶解，减缓“穿梭效应”；制备含碳正极阻挡层，有效阻止了多硫化物在电解液中的溶解、穿梭以及对锂负极的腐蚀。现有含碳阻挡层的制备方法大多都涉及到真空抽滤和剥离含碳阻挡层的过程，传统真空抽滤会对滤膜造成一定损伤，而抽滤得到含碳阻挡层更是不容易剥离，容易造成材料的损伤和浪费。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有阻挡层不容易剥离进而造成浪费的问题，提供一种含有阻挡层的锂硫电池的制备方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种含有阻挡层的锂硫电池，包括含硫活性材料正极、隔膜、电解液和金属锂片负极，在含硫活性正极材料与隔膜间设置一层阻挡层；所述阻挡层是通过将碳化后的粉末材料通过超滤杯压在膜表面制备而成，干燥后直接使用，无需剥离。

所述碳化后的粉末材料包括：细菌纤维素衍生的碳纤维粉末、活性炭粉末、石墨粉、石墨烯粉末、导电炭黑粉末。

所述膜包括：聚偏二氟乙烯膜(PVDF膜)、聚醚砜膜、醋酸纤维素膜。

将细菌纤维素衍生化碳纤维粉末制备成阻挡层的方法为：将细菌纤维素水凝胶经过去离子水的浸泡和冲洗后，利用液氮将其冷冻，随后放入真空冷冻干燥机内冷冻干燥；然后将冷冻干燥后的细菌纤维素气凝胶放入炉中加热，在氩气保护下高温烧至900℃得到细菌纤维素衍生化碳纤维。之后利用超滤杯将碳纤维压在聚偏二氟乙烯膜(PVDF膜)表面，干燥后得到细菌纤维素衍生化碳纤维阻挡层。

所述细菌纤维素衍生化碳纤维层的厚度为0.08-0.12mm，密度为70-90g/cm²

有益效果

1、本发明的含有阻挡层的锂硫电池，通过在含活性硫的传统锂硫电池正极表面覆盖一层细菌纤维素衍生化碳纤维阻挡层，抑制了锂硫电池充放电过程中多硫化物在电解液中的溶解、穿梭以及对电池负极的腐蚀。细菌纤维素衍生化碳纤维阻挡层本身也改善了电池正极活性物质硫的导电问题，纤维三维空间结构也为充放电过程中的体积膨胀提供了缓冲空间，防止了电极的坍塌，提高了锂硫电池的电化学性能。在0.5C的电流密度下，电池的首次放电比容量为1823.2mAh/g，第100次循环的放电比容量为939.4mAh/g。

2、本发明使用的超滤杯是利用气体，在外界压力的作用下将液体压出，同时将所需细菌纤维素衍生的碳纤维压在膜表面。区别于普通抽滤方式，超滤杯不会因抽滤的吸力而破坏膜本身和膜表面的碳纤维，可以有效的保护膜和膜表面的碳纤维，保证了阻挡层的有效性和完整性。

3、本发明中含有阻挡层的锂硫电池，是将细菌纤维素衍生化碳纤维利用超滤杯直接压在聚偏二氟乙烯膜(PVDF膜)表面作为锂硫电池正极活性物质的阻挡层，置于正极活性物质与隔膜之间。工艺方法简单，易于操作，无需改变活性物质的内部结构，阻挡层无需剥离，避免了材料的损伤和浪费，符合工业化大量生产的要求，具有广阔的商业前景。

附图说明

图1为细菌纤维素衍生化碳纤维(XRD)图像；

图2为细菌纤维素衍生化碳纤维(SEM)图像；

图3为添加细菌纤维素衍生化碳纤维层的锂硫电池在0.5C充放电循环图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

实施例1