[发明专利]一种基于纳米金属氢氧化物-碳复合材料的锂硫电池用改性隔膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种基于纳米金属氢氧化物‑碳复合材料的锂硫电池用改性隔膜的制备方法，本发明将纳米金属氢氧化物或纳米金属氢氧化物与碳基体复合材料作为多硫化锂的阻隔层，在传统隔膜上形成锂硫电池改性隔膜，对于正极产生的多硫化锂具有阻挡、吸附的作用。纳米金属氢氧化物或纳米金属氢氧化物与碳基体复合材料具有高的比表面积，它可以有效吸附可溶性多硫化物，抑制多硫化物向负极扩散，同时其表面含有大量亲水的表面羟基化合物与聚硫阴离子具有良好的物理化学稳定性，能有效地抑制多硫化物的溶解和泄漏。

技术领域

本发明涉及一种基于纳米金属氢氧化物-碳复合材料的锂硫电池用改性隔膜的制备方法，属于电池隔膜技术领域。

背景技术

锂硫电池以硫单质和金属锂作为电池的正负极活性材料，其理论比容量大(1675mAh/g)，锂硫电池具有重量轻、容量大、环境友好且原材料易得等优点。锂硫电池是一种极具应用前景的二次电池。

尽管锂硫电池具有高能量密度的巨大优势，但锂硫电池同样存在一些问题亟待解决，其中最为突出的是可溶性多硫化物的穿梭效应。锂硫电池目前常用的醚类电解液对充放电中间产物多硫离子Li₂S_x(x＝4-8)有较强的溶解性，使得锂硫电池的充放电过程表现为复杂的“固-液-固”过程。这一过程伴随着正极结构的解离与重建，使得电极的稳定性较差。与此同时，锂硫电池在充电时，正极产生的长链多硫离子在浓度梯度的驱动下迁移到负极，与金属锂发生反应，生成短链的多硫离子，在电场的作用下又迁移回正极，进一步又被氧化，这一过程不断循环往复，形成“穿梭效应”。“穿梭效应”不仅降低了电池的库伦效率，同时造成了金属锂负极的腐蚀，电解液粘度增加等问题，使电池性能的恶化。

为解决上述问题，以碳材料为基础的多硫离子阻隔层的应用受到人们的关注。自2012年科研人员报道了以微孔碳纸作为锂硫电池的中间层之后，生物质薄膜、多孔碳等也被作为碳基阻隔层来阻挡多硫化物的穿梭。在硫正极与隔膜之间插入中间层可以在活性物质的利用和容量保持方面起到显著的改善作用，是一种改善锂硫电池性能较为有效的方式。然而，结构上独立存在的中间层具有体积和质量占比较大的缺点，将上述碳材料与隔膜复合形成改性隔膜可以有效地解决这一问题。

除上述碳材料中间层以外，科研人员也对极性稍强的导电高分子材料、带有微孔的金属有机物骨架(MOF)材料、金属氧化物、氧化物陶瓷等材料对多硫化物的“穿梭效应”的抑制做了研究和尝试，取得了较好的效果。以上材料主要通过吸附或阻挡抑制多硫化物的扩散，对电池容量有一定的提升。此类材料对多硫化物转化和沉积的调控能力仍然是有限的，尤其在高载硫量测试条件下还需要对多硫化物吸附和限域的同时促进其电化学转化，以进一步提升电池的性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供及一种基于纳米金属氢氧化物-碳复合材料的锂硫电池用改性隔膜的制备方法。与碳材料中间层相比，本发明的锂硫电池用改性隔膜制备方法简单、成本低，可沿用现有锂电池混浆、涂布、烘烤等已有工艺，适用于工业化生产。该改性隔膜可有效阻止多硫化物的穿梭，纳米金属氢氧化物和碳对多硫化物具有较为明显的吸附作用，其中纳米金属氢氧化物可减小化学反应过程中的吉布斯自由能，具有明显的催化作用，将隔膜用于锂硫电池，可显著提升锂硫电池活性物质的利用率，质量比容量、循环稳定性、循环寿命都显著提高，可在锂硫电池的产业化上大面积推广，并显著降低锂硫电池的制造成本。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于纳米金属氢氧化物-碳复合材料的锂硫电池用改性隔膜的制备方法，所述的锂硫电池改性隔膜包括隔膜本体，所述隔膜本体的一侧或两侧涂布有改性涂层，所述改性涂层包含有纳米金属氢氧化物或纳米金属氢氧化物与碳基体形成的复合材料以及导电剂和粘合剂；

所述制备方法包括以下步骤：

(1)将纳米金属氢氧化物或纳米金属氢氧化物与碳基体复合材料、导电剂和粘合剂加入溶剂中，然后球磨、研磨、搅拌等方式得到均匀的隔膜改性浆料；