[发明专利]一种复合材料及电池复合隔膜

说明书

本发明公开了一种复合材料及电池复合隔膜。一种复合材料，复合材料包括过渡金属硫化物插层和包覆的蒙脱石；过渡金属硫化物的化学式为MS₂，M包括Fe、Cu、Mo、Ti、Co、Ni、Mn、Nb、Zr、W、Re和Ta中的任意一种或多种。一种电池复合隔膜，电池复合隔膜包含基材；基材表面上涂覆有涂层；涂层包括复合材料。本发明提供的复合材料将蒙脱石对多硫化锂的强吸附作用与过渡金属硫化物的催化作用有机结合，从而利用复合材料内部和外部的吸附和催化活性位点形成吸附和催化协同作用，从而实现锂硫电池充放电过程多硫化物的吸附和转化过程的强化，有效抑制多硫化物的穿梭效应，进而大幅提高锂硫电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电化学材料技术领域，具体涉及一种复合材料及电池复合隔膜。

背景技术

电动汽车和电网储能等新兴技术的快速发展对二次电池的能量密度提出了更高的要求。锂硫电池因具有极高的理论能量密度(2600Wh kg^-1)而成为了二次电池领域研究的重点和热点。但是多硫化锂穿梭效应及氧化还原反应动力学缓慢的问题依然是阻碍锂硫电池实现大规模商业化应用的关键问题。研究表明“吸附+催化”的策略是解决上述锂硫电池关键问题的有效途径。该“吸附+催化”的策略主要包括：(1)碳材料(多孔碳、碳纳米管、石墨烯等)的杂原子掺杂；(2)在非极性的碳材料中引入金属氧/硫/氮化物等电催化剂；(3)在MOFs、MXene等极性材料中引入金属氧/硫/氮化物等电催化剂。从而在通过物理/化学吸附作用锚定多硫化锂的基础上，在材料中引入催化活性位点以促进锚定在材料表面的多硫化锂快速转化，从而避免电解液中多硫化锂的积累，极大程度地抑制穿梭效应的发生。

天然蒙脱石粘土矿物材料因具有特殊二维层状结构以及极强的多硫化锂吸附能力，而且其热稳定性、化学稳定性和机械稳定性良好，被越来越多的用来在锂硫电池中吸附锚定多硫化锂以抑制穿梭效应。现有技术中，Wook Ahn等人(W.Ahn,S.N.Lim,D.U.Lee,K.B.Kim,Z.Chen,S.H.Yeon,Interaction mechanism between a functionalizedprotective layer and dissolved polysulfide for extended cycle life of lithiumsulfur batteries,J.Mater.Chem.A,2015,3,9461-9467.)报道了将蒙脱石涂覆到锂硫电池膈膜表面制备得到的表面修饰改性后的复合隔膜可以有效地将多硫化锂吸附锚定在锂硫电池正极侧，从而有效抑制了穿梭效应，大幅提升了锂硫电池地循环稳定性。然而，上述现有技术仅仅是利用蒙脱石的化学吸附作用来抑制多硫化锂的穿梭效应问题，无法起到催化多硫化锂的转化作用，因此难以实现其在高能量密度锂硫电池中的应用。现有技术的表面涂层改性的锂硫电池隔膜对多硫化锂的吸附或催化作用不足，表面涂层易堵塞隔膜的孔道结构，从而降低复合隔膜锂离子传输性能导致其难以有效克服穿梭效应问题。

发明内容

为了克服现有技术存在因多硫化锂穿梭效应导致现有隔膜难以实现其在高能量密度锂硫电池中的应用的问题，本发明的目的之一在于提供一种复合材料，本发明的目的之二在于提供一种电池复合隔膜。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种复合材料，复合材料包括过渡金属硫化物插层和包覆的蒙脱石；过渡金属硫化物的化学式为MS₂，M包括Fe、Cu、Mo、Ti、Co、Ni、Mn、Nb、Zr、W、Re和Ta中的任意一种或多种。

优选的，这种复合材料中，过渡金属硫化物的化学式为MS₂，M包括Fe、Cu、Mn、Zr、Co、Ni中的任意一种或多种；进一步优选的，M包括Fe、Cu、Mn、Zr和Ni中的任意一种或多种；再进一步优选的，M包括Fe、Cu和Mn中的任意一种或多种；更进一步优选的，M为Fe。

进一步优选的，这种复合材料中，蒙脱石层间插层有纳米过渡金属硫化物颗粒，且蒙脱石表面包覆有过渡金属硫化物微晶。