[发明专利]一种锂硫电池用保护层及其制备方法和使用该保护层的锂硫电池

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种锂硫电池用保护层及其制备方法和使用该保护层的锂硫电池。

背景技术

近年来，以金属锂为负极，单质硫为正极的锂硫二次电池由于具有较高的能量密度(2600Wh/kg)和比容量(1675mAh/g)而受到越来越多的关注。作为锂硫电池的关键材料，正极材料对锂硫电池的比容量、能量密度和循环寿命有很大的影响。但正极材料循环性能差，一直是制约锂硫电池产业化的最大挑战之一。而造成这一问题的根源在于：一方面活性物质单质硫导电性差，造成活性物质利用率低；另一方面，放电中间产物多硫化物易溶于电解液造成活性物质流失，也可能迁移到负极，发生穿梭效应，进而生成钝化膜，增大电池内阻，进而导致电池循环性能下降，比容量衰减快。

针对于此，科研工作者们从制备硫基复合材料、电解液添加剂和添加正极材料吸附剂等角度对解决这些问题进行了很多有益的探索。上述策略有效地提高了单质硫的导电率，提高了单质硫的反应活性，但对抑制多硫化物在电解液中的溶解和降低电池充放电过程中的穿梭效应改善效果十分有限，尤其是低倍率充放电条件下的穿梭效应依然明显。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种能够有效地阻止聚硫化物在电解液中的穿梭和聚硫化物对锂负极的腐蚀，能够使放电产物更均匀地沉积在电极表面，提高锂硫电池的比容量和循环寿命的锂硫电池用保护层及其制备方法和使用该保护层的锂硫电池。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案为：

一种锂硫电池用保护层，该保护层是将浆料涂布在隔膜表面获得的；且浆料包含质量比为(4～9)：1的改性石墨烯和粘合剂，改性石墨烯中含有的官能团为：

烷基、烯烃基、芳香基、卤素、-CN、-SCN、-NCO、-OH、-COOH、-NH₂、-COX、-NO₂、-SO₃H、-COOR、-COR、-CONHR、-CONR₂、-OR、-NHR和-NR₂中一种或一种以上，其中，X＝F、Cl、Br或I，R＝烷基、烯烃基或芳香基。

所述的粘合剂为聚氧化乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、明胶、海藻酸钠和β-环糊精中的一种或一种以上。

所述的改性石墨烯的官能团在改性石墨烯中的质量分数为0.01％～15％。

所述的改性石墨烯的比表面积为200～1200m²/g，改性石墨烯的孔径分布包括小于2nm的微孔和2～15nm的介孔。

所述的改性石墨烯的比表面积为300～800m²/g。

所述的保护层(3)的厚度为0.05～20μm。

所述的保护层(3)的厚度为0.1～5μm。

一种锂硫电池用保护层的制备方法，包括以下步骤：

1)首先将氧化石墨烯或石墨烯均匀分散到溶剂或溶液中，所述的溶剂为水、乙醇、丙醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或四氢呋喃；溶液为氢氧化钾水溶液或氢氧化钠水溶液；

然后加入改性剂，所述的改性剂为：

氢氟酸、盐酸、硫酸、硝酸、聚乙二醇、聚乙烯醇、氨水、水合肼、联氨、乙二胺、三异丙醇胺、十八胺、N,N-二环己基碳二亚胺、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、乙酸、氯乙酸、氯磺酸、氯化亚砜、丙酸、高锰酸钾、氰化钠、氰化氢、氰化钾、硫氰化氢、硫氢化钠、硫氰化钾、异氰酸酯或氯酸钾；

最后在2～120℃下充分反应0.1～20h，洗涤除去杂质，将得到的产物分离干燥，即得到改性石墨烯；

2)将改性石墨烯和粘合剂按质量比为(4～9)：1在溶剂中充分混合，配制成固含量为10％～80％的浆料，所述的粘合剂为聚氧化乙烯、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸、聚四氟乙烯、明胶、海藻酸钠和β-环糊精中的一种或一种以上；

3)采用刮涂法或喷涂法将浆料涂布在隔膜表面，即得到保护层，完成保护层的制备方法。

所述的溶剂为水、N-甲基吡咯烷酮、无水乙醇和正丙醇中的一种或一种以上。

一种锂硫电池，包括正极、负极和电解液，以及位于正极和负极之间的隔膜，所述的正极和隔膜之间设置有保护层。