[发明专利]一种应用于锂硫电池中的正极功能性隔层的制备方法

说明书

本发明属于材料化学领域，涉及一种应用于锂硫电池中的正极功能性隔层的制备方法。该方法采用聚丙烯腈和二氧化硅作为前驱体，利用静电纺丝工艺制备连续纳米纤维膜，通过对静电纺丝PAN膜进行碳化处理、氢氟酸处理和活化处理后得到正极功能性隔层，该功能性隔层能够改善现有技术存在的锂硫电池中多硫化物穿梭效应，正极材料中的活性物质利用率低，导致锂硫电池性能不佳的缺陷。

技术领域

本发明属于材料化学领域，涉及电池隔层制备方法，更具体地，涉及一种应用于锂硫电池中的正极功能性隔层的制备方法。

背景技术

随着科学技术和信息产业的飞速发展，开发新能源成为急切需求。锂离子电池具有高比能、环境友好无污染、资源丰富、价格低廉等优点，成为移动电子产品和电动汽车等储能设备的选择，但仍满足不了人们对环保型和高比能量的新型电池日益增长的需求。新型锂硫电池其理论容量达到1675mAh/g，理论能量密度可达到2600 Wh/kg，锂硫电池是被认为最具发展前景的二次电池之一。然而，单质硫的导电性很差及其充放电过程的中间产物导电性差，多硫化物在反应过程中存在穿梭效应等问题，导致正极材料的利用率一直处于较低的水平。因此，如何提高锂硫电池的循环寿命、提高正极活性物质利用率以及改善体积膨胀效应成为锂硫电池的关键。

现有技术中，提高锂硫电池性能的方案主要有硫基正极结构的优化与硫基正极材料的改性，通常通过填充、混合或包覆的方法将单质硫和具有高的孔结构的多孔材料进行机械复合，形成正极复合材料，从而改善硫基正极的锂离子电导率和电池的循环性能。

功能性隔层是一种简单易行的方法来直接解决锂硫电池的穿梭效应。功能性隔层放置在正极和隔膜中间，能起到物理性或者是化学性的固定住多硫化物的穿梭的效果，这样就提高了正极活性物质的利用率，从而提高锂硫电池的整体性能。关于电池隔层材料研究的现有技术也有报道：CN105428572A公开了一种锂离子电池用静电纺丝复合隔膜的制备方法，通过静电纺丝技术，生成多孔网状复合纤维隔膜，降低了PVDF体系结晶度，从而提高了隔膜无定型区的离子传导能力以及拉伸强度和断裂伸长率，保障了锂离子电池电解质较高的离子电导率和安全性能。CN106450104A公开了一种应用于锂硫电池中的隔层及其制备方法，通过所述方法将金属氧化物附着在细菌纤维素的纤维表面进行碳化，得到一种新型的正极隔层。该隔层可用于锂硫电池正极与隔膜之间，能够很好地抑制多硫离子的穿梭，隔层中的金属氧化物也可以对多硫离子进行吸附；同时金属氧化物还对锂硫电池的氧化还原反应有一定催化作用，对于提高锂硫电池的循环性能起到了很重要的作用。但是上述技术普遍存在的缺点是：制备工艺比较复杂，从而导致其生产成本高，影响其在锂硫电池中的广泛应用。而且制备出的隔层尺寸较大、比表面积小、难控制其微观形貌，在充放电过程中仍然存在体积膨胀现象，从而限制了其循环性能和倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种应用于锂硫电池中的正极功能性隔层的制备方法，该方法采用聚丙烯腈(PAN)和二氧化硅(SiO₂)作为前驱体，利用静电纺丝工艺制备连续纳米纤维膜，通过对静电纺丝PAN膜进行碳化处理、氢氟酸处理和活化处理后得到正极功能性隔层，该功能性隔层能够改善现有技术存在的锂硫电池中多硫化物穿梭效应，正极材料中的活性物质利用率低，导致锂硫电池性能不佳的缺陷。

本发明提供的应用于锂硫电池中的正极功能性隔层的制备方法，包括如下步骤：

（1）二氧化硅-聚丙烯腈的制备

利用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）作为PAN聚合物和二氧化硅的溶剂，在25℃～50℃的温度下将SiO₂搅拌溶解到PAN/DMF溶液中得到静电纺丝前驱液，其中DMF:PAN:SiO₂按照质量比为8:1:0.1～2称量，将前驱液吸入注射器中，采用以下参数进行静电纺丝：调节针尖与接收筒之间的距离到设定好的距离25cm，施加电压18kV，注射泵速率0.3ml/h，收集器转速500rpm；

（2）二氧化硅-聚丙烯腈的预处理