[发明专利]一种锂硫电池用修饰隔膜及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂硫电池用修饰隔膜及其制备方法，采用碳化后的MIL‑101系列金属有机框架材料和粘结剂混合均匀后涂覆于隔膜表面制备而成，其中金属阳离子对多硫化物有很强的吸附作用，防止多硫化物的溶解，有限抑制穿梭效应。碳化后的多孔骨架结构，不仅具有良好的锂离子传导性，同时起到集流体的作用，有利于电子的快速传导。将该修饰隔膜用于锂硫电池时表现出优异的循环性能和倍率性能。且其制备方法简单、成本低、环境友好，具有很好的工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及化学电源领域，尤其涉及锂硫电池用修饰隔膜及其制备方法。

背景技术

现代电动汽车的迅速崛起对电池能量密度提出了越来越高的要求，现在商用的锂离子电池已达不到一些电子设备的应用要求，而近几年研究日臻火热的锂硫电池具有高能量密度，其理论能量密度达到2600Wh·kg^-1，是商用锂电池的5倍，符合电动汽车对电池的要求，也符合电子便携设备对电池“轻、小、薄”的要求。

锂硫电池是以金属锂作负极，单质硫或硫基复合材料作正极构筑的二次高密度能量电池体系。单质硫的理论比容量可达到1675mAh·g^-1，另外单质硫具有成本低、资源丰富、环境友好等特点，故其在锂二次电池中得到广泛应用。

尽管锂硫电池有诸多优点，但其仍面临着许多挑战和难题，如单质硫和氧化还原产物硫化锂的绝缘性，多硫离子的溶解问题以及其“穿梭效应”，金属锂负极的稳定性问题等。其中最为严峻的是，在充放电的过程中形成的多硫根阴离子易在有机电解液中溶解、扩散，并与正极硫材料和负极锂片发生副反应，生成绝缘的沉淀物(Li₂S₂和Li₂S)，该过程一方面降低了锂硫电池的库仑率，另一方面也造成了活性物质的损失，导致锂硫电池容量迅速衰减，大大降低了活性物质的利用率。成功抑制中间产物多硫化物的穿梭效应成为制备高性能锂硫电池的关键。若能利用锂硫电池本身的电池结构特点，设计出一种能够有效阻挡多硫化物穿梭的隔膜，将大幅提高锂硫电池的容量性能与循环性能。

为了防止多硫化物的穿梭效应，近几年学术界主要从几个方面进行研究：(1)制备多空碳材料来包覆硫形成碳硫复合材料，使单质硫分散在多孔碳材料中以抑制多硫化物在电解液中的溶解；(2)向电解液中加入一些添加剂以优化电解液的组成或使用新型电解液；(3)对金属锂负极进行修饰和保护，组织电解液和多硫化物对锂负极的腐蚀；(4)设计阻隔层，以此来阻隔多硫化物的溶解。

基于以上研究，本发明以锂硫电池隔膜作为研究对象，通过在商用电池隔膜表面修饰一层碳化后的MIL-101系列金属有机骨架材料，以提高锂硫电池的容量性能与循环性能。其中金属阳离子对多硫化物有很强的吸附作用，防止多硫化物的溶解，有限抑制穿梭效应。碳化后的多孔骨架结构，不仅具有良好的锂离子传导性，同时起到集流体的作用，有利于电子的快速传导。将该修饰隔膜用于锂硫电池时表现出优异的循环性能和倍率性能。且其制备方法简单、成本低、环境友好，具有很好的工业化应用前景。

发明内容

针对锂硫电池现有缺陷，本发明的目的在于为锂硫电池提供一种能有效抑制多硫化物穿梭的锂硫电池用修饰隔膜及其制备方法，以提高锂硫电池的比容量和循环稳定性；且其制备方法简单操作、成本低，适用于工业化生产。

本发明通过如下技术方案实现：

一种锂硫电池用修饰隔膜及其制备方法，该修饰隔膜是由经过碳化后的MIL-101系列金属有机骨架材料和粘结剂混合均匀后涂覆在隔膜上制备而成；其制备过程为：将MIL-101系列金属有机骨架材料煅烧，获得碳化的活性材料；将上述碳化的活性材料与粘结剂按质量比7:0-7:3并加入N-甲基吡咯烷酮混合均匀，获得涂层浆料；将所述浆料均匀涂覆于隔膜表面，真空干燥后即得修饰隔膜。