[发明专利]一种锂硫电池功能化复合隔膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂硫电池功能化复合隔膜及其制备方法，属于电池材料技术领域。所述锂硫电池功能化复合隔膜包括隔膜基体和涂覆在隔膜基体上的功能化涂层，所述功能化涂层为氮钴掺杂的石墨化碳材料和粘结剂的混合物；所述功能化涂层的厚度为5～15μm；所述制备方法如下：将所得BMZIF材料在惰性气体氛围中于900～1000℃下煅烧3～5h，得到氮钴掺杂的石墨化碳材料；将所述氮钴掺杂的石墨化碳材料与粘结剂混合均匀，得到功能化涂层；将所述功能化涂层涂覆在隔膜基体上，干燥，得到所述的一种锂硫电池功能化复合隔膜。所述锂硫电池的隔膜，可降低锂硫电池正极阻抗，有效的抑制多硫离子穿梭效应。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池功能化复合隔膜及其制备方法，属于电池材料技术领域。

背景技术

随着人类对新能源体系的能量密度和环保性的要求不断提高，锂硫电池由于具有高达1675mAh·g^-1的理论容量和2600Wh·kg^-1的能量密度而受到了研究人员的广泛关注。作为锂电池的正极材料，单质硫具有最高的理论比容量。除此之外，单质硫还具有储存量大、毒性低、价格低廉等多方面的优势。尽管有这些优势，但其实际工作过程中存在着诸多问题和挑战。第一，正极材料导电性差，并且还原终产物Li₂S和Li₂S₂是电子绝缘体。第二，充放电反应过程中产生的长链多硫离子会溶解到电解液中，并且在正负极间往复迁移产生“多硫离子穿梭效应”，导致循环稳定性差和库伦效率低下。第三，金属锂负极表面固体电解质界面膜稳定性不足，易粉化；同时存在锂负极枝晶生长问题，影响电池安全性。

为了解决上述问题，研究者们在正极材料制备方法、电解液优化、锂负极表面修饰等方面进行了深入研究。锂硫电池器件的性能不仅仅取决于正极、负极活性材料的结构和性能，还取决于正负极之间的电解质体系，隔膜是正负极材料之间的典型电解质。隔膜系统是电池中的核心组件之一，其作用是防止电池正极、负极直接接触发生电子短路；同时通过隔膜中的孔道保持正负极两侧的电解液联通，维持正负极之间的离子通道。对隔膜进行改性的原理之一为利用多硫化物阴离子与锂离子在动力学直径方面的差异，通过隔膜中孔道的设计实现锂离子的选择性透过，从而抑制锂硫电池中的“多硫离子穿梭效应”。日本工业技术院、南京大学周豪慎研究组提出一种以金属有机框架材料(MOF)为基元材料的氧化石墨烯复合功能隔膜，采用Cu₃(BTC)₂型MOF(HKUST-1)作为“离子筛”(Bai Song Y，Liu Xi Z，Zhu Kai，et al.Metal–organic framework-based separator for lithium–sulfurbatteries[J].Nature Energy，2016，1，16094)，但是该隔膜制备过程繁琐，所用材料成本较高，并且需要真空环境，不利于大规模制备。

BMZIF材料是基于Zn和Co两种金属设计合成的一系列与ZIF-8及ZIF-67具有相同拓扑结构的双金属有机框架材料，并且以此为模板衍生的多孔碳材料有效地结合了ZIF-8和ZIF-67各自碳化产物的优势，同时具备以下优点：高度有序的多孔结构(微孔/介孔)，高的比表面积，氮杂原子的均匀掺杂，CoN_x活性位和高的石墨化程度等。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的之一在于提供一种锂硫电池功能化复合隔膜。该隔膜中氮钴掺杂的石墨化碳材料均匀丰富的孔道结构以及其中嵌入的钴纳米颗粒和掺杂的氮元素通过协同作用可以起到较好的对多硫化物的吸附作用。另一方面，氮钴掺杂的石墨化碳材料可以有效地起到电池正极表面“上层集流体”的作用。

本发明目的之二在于提供一种锂硫电池功能化复合隔膜的制备方法，所述方法步骤简单，可大批量生产。

本发明目的之三在于提供一种锂硫电池，锂硫电池的隔膜为本发明所述的一种锂硫电池功能化复合隔膜，可降低正极阻抗以及抑制“多硫离子穿梭效应”。

为实现本发明的目的，提供以下技术方案。