[发明专利]一种导电Janus膜、制备方法及其在制备锂硫电池正极中的应用

说明书

本发明提供的一种导电Janus膜，包括以下原料：多壁碳纳米管0.1~0.6g、浓硫酸溶液10~40ml，浓硝酸溶液5~10ml、去离子水200~500ml、有机硅烷偶联剂2~8ml、阴离子表面活性剂1~3g、聚四氟乙烯0.01~0.06g、氮甲基吡咯烷酮溶液1~3ml、升华硫1~3mg、CS₂溶液0.1~0.5ml、异丙醇溶液0.5~1ml；其制备方法包括以下步骤：1）制备氧化多壁碳纳米管、2）制备铵化碳纳米管、3）制备阴离子碳纳米管、4）制备柔性碳纳米管、5）配制硫@碳纳米管复合材料、6）制备导电Janus膜；本发明具有用于锂硫电池正极的能够显著提高锂硫电池的放电比容量、电化学性能和循环性能的有益效果，适用于Janus膜领域。

技术领域

本发明涉及Janus膜的技术领域，具体涉及一种导电Janus膜、制备方法及其在制备锂硫电池正极中的应用。

背景技术

锂硫电池是以硫元素作为电池的正极，金属锂作为负极的一种锂电池。由于硫是不导电物质，传统的锂硫电池一般采用将硫单质与导电碳材料复合以提高导电性，但是未经改性的碳材料只能作为导电基体，对锂硫电池中多硫阴离子的穿梭效应和电极的体积膨胀效应作用有限，通常所制备的电池容量和循环寿命非常差。因此，开发兼具离子选择性且导电性能良好的柔性正极材料有望解决锂硫电池存在问题，提升电池的电化学性能。

现有技术中，Janus膜常用于油水分离、空气中雾水的分离和鼓泡器等领域。没有将Janus膜应用于锂硫电池正极的相关研究。

发明内容

针对相关技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于：提供一种用于锂硫电池正极的能够显著提高锂硫电池的放电比容量、电化学性能和循环性能的导电Janus膜。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种导电Janus膜，包括以下原料：多壁碳纳米管0.1~0.6g、浓硫酸溶液10~40ml，浓硝酸溶液5~10ml、去离子水200~500ml、有机硅烷偶联剂2~8ml、阴离子表面活性剂1~3g、聚四氟乙烯0.01~0.06g、氮甲基吡咯烷酮溶液1~3ml、升华硫1~3mg、CS₂ 溶液0.1~0.5ml、异丙醇溶液0.5~1ml。

优选地，所述有机硅烷偶联剂为3-(三甲氧基硅丙基)二甲基十八烷基氯化铵的甲醇或乙醇溶液。

优选地，所述阴离子表面活性剂为壬基酚聚氧乙烯醚硫酸钠。

本发明还提供了一种导电Janus膜的制备方法，包括以下步骤：

1）制备氧化多壁碳纳米管：将多壁碳纳米管加入浓硫酸溶液和浓硝酸溶液中分散均匀得到溶液1，在温度为60℃的条件下预氧化回流处理8h，然后用去离子水将溶液1稀释至浓度为0.2~1.0g/L；采用0.22μm孔径的尼龙滤膜对稀释后的溶液1进行抽滤分离，将滤饼洗涤至洗涤液的pH值为7；在温度为70℃的条件下将滤饼真空干燥24h获得富含羧基、羟基的氧化多壁碳纳米管；

2）制备铵化碳纳米管：将制备的氧化多壁碳纳米管和有机硅烷偶联剂混合在一起得到溶液2，对溶液2进行超声分散30min；然后在温度为60℃的条件下进行水浴反应2h，在水浴反应的过程中不停搅拌，然后在温度为70℃的条件下真空干燥48h，获得铵化多壁碳纳米管；

3）制备阴离子碳纳米管：取铵化多壁碳纳米管与阴离子表面活性剂加入浓度为30~50wt%的无水乙醇中，在温度为60℃的条件下水浴反应24h得到阴离子碳纳米管；

4）制备柔性碳纳米管：将多壁碳纳米管或步骤1）中制备的氧化多壁碳纳米管与聚四氟乙烯加入氮甲基吡咯烷酮溶液中，搅拌均匀形成浆料，涂成厚度均匀的膜层，在温度为70℃的条件下真空干燥24h，制备得柔性碳纳米管薄层；

5）配制硫@碳纳米管复合材料：将升华硫溶解在CS₂溶剂中得到溶液3，将溶液3滴涂于步骤4）制备的柔性碳纳米管薄层上，制得硫@碳纳米管复合材料；