[发明专利]一种用于锂硫电池隔膜改性的二维多孔碳片的制备方法

说明书

一种用于锂硫电池隔膜改性的二维多孔碳片的制备方法，涉及锂硫电池。将氧化石墨烯和表面活性剂分散在溶剂中，得分散液；将所得的分散液调节pH，再加入正硅酸乙酯，将二氧化硅包覆在氧化石墨烯表面，反应后将产物离心，得二氧化硅包裹的氧化石墨烯；将得到的二氧化硅包裹的氧化石墨烯用溶剂洗涤，分散在溶剂中，加入甲醛、酚类、胺类和正硅酸乙酯反应，干燥，得粉体；将所得的粉体在惰性气氛下碳化处理，得碳化产物；将得到的碳化产物用HF溶液或氢氧化纳溶液刻蚀，离心，洗涤，干燥，得二维多孔碳片粉体；将所得的二维多孔碳片粉体与粘结剂超声分散在溶剂中，将所得分散液抽滤到隔膜上，烘干裁剪后得到用于锂硫电池隔膜改性的二维多孔碳片。

技术领域

本发明涉及锂硫电池，尤其是涉及一种用于锂硫电池隔膜改性的二维多孔碳片的制备方法。

背景技术

在过去10年中，二维碳纳米片(也称二维碳片)因其独特的结构和电子特性，广泛地应用于能量存储与转化、药物输运、环境保护和催化等领域，尤其是由于其高比表面积和可调节孔道可以提供丰富的储能位点和良好的传质途径，已经成为电化学储能技术领域中(锂离子电池、锂硫电池、燃料电池、混合超级电容器和电催化等)热点的研究对象(Chem.Rev.2017,117,6225-6331.)。尽管二维碳纳米片被认为是用于电化学能量存储很有前景的电极材料，但是由于二维材料通常容易发生团聚，难以维持平整结构和高比面积特性，极大地限制了二维碳纳米片的应用研究发展。此外，为了进一步提升二维碳纳米片电化学性能，使用杂原子(如N、S和B等)对二维碳纳米片进行掺杂被广泛用于二维碳纳米片的储能应用领域。因此，制备不易团聚，且具有高比表面积和杂原子掺杂特性的二维多孔碳纳米片将能够有效地提升二维碳纳米片的应用潜力。锂硫电池(Li-S)是一种以金属锂为负极，单质硫为正极的锂二次电池，具有高理论能量密度(2600Wh kg^-1)。使用的硫单质相对现有锂离子电池正极材料相比，具有储量丰富、价格低廉和环境友好等特点。尽管Li-S电池在能量密度和成本上具有巨大的理论优势，但仍然存在许多尚未解决的问题，严重地阻碍了Li-S电池的实际应用。例如，锂硫电池在放电过程中，正极反应的中间产物(多硫化物)会溶解于电解液，通过隔膜扩散至锂负极侧；而在充电过程中，这些多硫化合物又会从负极向正极迁移。这一“穿梭效应”是造成Li-S电池容量衰减的主要原因。此外，通过隔膜扩散到锂负极的多硫化物还会导致正极活性物质硫的损失、负极锂的腐蚀和自放电现象(Adv.Mater.2017,1606823.)。

隔膜系统是锂硫电池中的核心组件之一，也是最有可能从商用角度提升锂硫电池应用性能的组件。目前锂硫电池中使用较多的隔膜是传统的烯烃聚合物类隔膜，主要为聚丙烯(PP)微孔膜、聚乙烯(PE)微孔膜和Celgard公司生产的多层复合隔膜(PP/PE两层复合或PP/PE/PP三层复合)。聚烯烃类隔膜的生产成本低、孔径尺寸可调，具有良好的电化学稳定性和机械强度，因而在商用电池中应用广泛。但是在锂硫电池体系中，传统隔膜无法有效的抑制活性物质多硫化锂的“穿梭效应”，迫切需要一种新型功能化隔膜来解决现有隔膜的不足。在商用隔膜表面构筑一层离子筛作为多硫化合物扩散的阻挡层，在传输Li⁺的同时有效地对可溶性多硫化物的物理阻挡和化学吸附进而起到抑制“穿梭效应”作用，是延长锂硫电池的循环寿命的一条有效途径。

发明内容

本发明的目的在于针对现有锂硫电池隔膜存在的问题，由简单的硬模板法出发合成高比表面、杂原子掺杂二维多孔碳片的方法，提供简易的对商业化电池隔膜进行改性修饰处理，并进一步通过使用这种改性的电池隔膜抑制锂硫电池中多硫化物的“穿梭效应”，提高正极材料的利用率，实现锂硫电池的高比容量和长循环寿命的一种用于锂硫电池隔膜改性的二维多孔碳片的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯和表面活性剂分散在溶剂中，得分散液；

在步骤1)中，所述表面活性剂可选自聚乙烯吡咯烷酮，所述溶剂可采用乙醇和水的混合溶液，乙醇和水的体积比可为(2～10)︰1。