[发明专利]快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜及其制备方法与应用，其制备方法包括：采用静电纺丝方法制备得到静电纺聚乙烯醇/聚丙烯酸复合纤维膜；通过热处理得到热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸复合纤维隔膜；最后再采用LiOH水溶液进行锂化处理，得到快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜。本发明采用热交联的方法处理静电纺聚乙烯醇/聚丙烯酸复合纤维隔膜，使复合隔膜的机械强度和在水溶液中的稳定性大大增强。再利用LiOH溶液处理复合纤维隔膜，将纤维表面中未反应的聚丙烯酸变成聚丙烯酸锂，在保证对多硫化锂的静电排斥作用的同时大大提高复合纤维隔膜的锂离子导电率。

技术领域

本发明属于复合纤维隔膜技术领域，具体涉及一种快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜的制备及其在锂硫电池中的应用。

背景技术

锂硫(Li-S)电池由于其超高的理论比能量(2600W h kg^-1)和理论比容量(1672mAh g^-1)而受到了广大的研究者们的青睐，并且硫具有储量丰富、成本较低、环境无污染等诸多优势，而成为最具发展潜力的新型可充电电池系统之一。在锂硫电池的充放电过程中，由于硫的多级电化学反应特征，因而带来了硫正极材料的高比容量特性，但也同时导致了锂硫电池系统中存在更多的复杂性。一方面，硫正极在电化学反应过程中会产生可溶性的多硫化锂，这种多硫化锂能过穿透传统电池隔膜而与锂金属负极直接反应，造成活性物质的不断流失和库伦效率的下降，这就是“穿梭效应”。另一方面，因为锂金属负极材料在循环过程中存在锂离子不断沉积的过程，容易导致锂枝晶的不均匀生长，产生了巨大的安全问题。

隔膜是电池系统的关键组分之一，其作为一种电子绝缘体，起到隔绝正极和负极材料的作用；其次，隔膜本身需要具备离子导电能力或者能够容纳一定量的电解液，从而保证在电池内部离子能够正常传输。目前市场上的商用电池隔膜主要是聚烯烃类隔膜，这些隔膜的化学性质较为稳定，但是却不能有效的抑制锂硫电池内部的穿梭效应和锂枝晶等问题，因而在实际应用中仍存在很多弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、电化学性能优异的快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜及其制备方法和应用。

为了达到上述目的，本发明提供了一种快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜的制备方法，其特征在于，采用静电纺丝方法制备得到静电纺聚乙烯醇/聚丙烯酸复合纤维膜；通过热处理得到热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸复合纤维隔膜；最后再采用LiOH水溶液进行锂化处理，得到快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜。

优选地，所述快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用静电纺丝的方法制备得到聚乙烯醇/聚丙烯酸复合纤维：

首先将聚乙烯醇通过加热搅拌的方法溶于去离子水中，待溶液变的澄清且透明后冷却至室温；再加入聚丙烯酸，室温下搅拌溶解，并静置后得到均匀的混合纺丝液；进行静电纺丝，以旋转的铝箔接收纺出的纳米纤维，得到静电纺聚乙烯醇/聚丙烯酸复合纳米纤维膜；

步骤2：进行热处理：

将静电纺聚乙烯醇/聚丙烯酸纤维膜置于鼓风烘箱中进行加热处理，得到热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸纤维隔膜；

步骤3：采用LiOH水溶液进行处理：

将热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸纤维隔膜浸于LiOH溶液中进行锂化处理，然后用去离子水清洗，最后烘干得到快速锂离子传输的热交联聚乙烯醇/聚丙烯酸锂纤维隔膜。

优选地，所述的步骤1中聚乙烯醇、聚丙烯酸和去离子水的质量比为3～7:5.5～9.5:83.5～91.5。

更优选地，所述的步骤1中聚乙烯醇、聚丙烯酸和去离子水的质量比为5:7.5:87.5。