[发明专利]一种高性能聚烯烃复合电池隔膜的制备方法及锂硫电池

说明书

本发明公开了一种高性能聚烯烃复合电池隔膜的制备方法及锂硫电池，属于转变化学能为电能的方法或装置技术领域，其包括（1）将聚烯烃隔膜切割成圆片；（2）将5片聚烯烃隔膜浸没到浓硝酸中，或者双氧水和过二硫酸钾溶液构成的混合溶液中，不断搅拌进行氧化；（3）将乙醇和去离子水按体积用量比为1:1混合成混合溶剂；（4）将过渡金属盐加入到步骤（3）制得的混合溶剂中，不断搅拌使盐充分溶解；（5）将步骤（2）处理的隔膜浸没到步骤（4）制得的过渡金属盐溶液中，然后逐滴加入氢硫酸，不断搅拌使过渡金属硫化物接枝到隔膜的活性位点上；（6）清洗与干燥得到修饰的聚烯烃隔膜六步。此法能显著提高聚烯烃隔膜的表面极性和电池的倍率性能。

技术领域

本发明属于直接转变化学能为电能的方法或装置技术领域，具体涉及一种高性能聚烯烃复合电池隔膜的制备方法及锂硫电池。

背景技术

锂硫电池的理论比容量可达1675mAh /g，能量密度可达2600Wh/kg，并且锂硫电池具有价格低廉、硫储量丰富、环境友好等优点，逐渐引起人们的广泛关注。隔膜作为锂硫电池不可或缺的部分，由于聚烯烃材料具有价格低廉、较好的机械强度和化学稳定性等优点，并且具有高温自闭性能，能够确保锂离子二次电池在日常使用上的安全性，用该原料制作的微孔隔膜被广泛地应用在锂离子电池中。使用聚烯烃隔膜的锂硫电池在使用的过程中，常发生负极被腐蚀的现象，并且电池循环性能衰减的速。

为克服此问题，斯坦福大学崔屹等人（Adv. Mater. 2016, 28, 9797–9803）使用对多硫化锂、硫化锂等极性离子吸附能力较强、结合能较高的黑磷（BP）对聚烯烃隔膜进行改性，制备出PP-BP复合隔膜，显著改善了锂硫电池的倍率性能和循环性能。国家纳米科学中心唐智勇等人（Adv. Mater. 2017, 29, 1606817）则利用预锂化的二维层状MoS₂对聚丙烯隔膜进行修饰，在尽可能不增加隔膜体积和质量的前提下，通过MoS₂和多硫化物间的物理、化学作用，抑制了多硫化物的来回迁移，一定程度上减轻了锂硫电池的“穿梭效应”，提高了电池的电化学性能。但上述方法都需要使用粘结剂，难以保障电池的体积能量密度和质量能量密度。另外，黑磷、预锂化二硫化钼的制备条件都和苛刻，需要高温、高压的条件，并且预锂化过程所用的叔丁基锂易燃易爆，安全难以保障。

虽然以上研究说明通过在传统聚烯烃隔膜表面修饰一层与多硫化物间有较高的结合能的极性纳米材料能有效地抑制锂硫电池循环过程中的“穿梭效应”，但隔膜的整体性能仍然不够理想，并且降低价格、简化操作是聚烯烃隔膜能否大规模生产的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能聚烯烃复合电池隔膜的制备方法及锂硫电池，能够保证电池的能量密度，提高其整体性能且制备方法简单安全适宜大规模化生产。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：设计一种高性能聚烯烃复合电池隔膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）切割：将聚烯烃隔膜切割成直径为19 mm的圆片；

（2）氧化：将5片步骤（1）制得的聚烯烃隔膜浸没到浓硝酸中，或者双氧水和过二硫酸钾溶液构成的混合溶液中，不断搅拌，对隔膜表面进行氧化处理，在隔膜的表面制得密布的活性位点；

（3）配混合溶剂：将乙醇和去离子水混合成混合溶剂，乙醇与去离子水的体积用量比为1:1；

（4）制备过渡金属盐溶液：将过渡金属盐加入到步骤（3）制得的混合溶剂中，不断搅拌使盐充分溶解；

（5）复合：将步骤（2）处理的隔膜浸没到步骤（4）制得的过渡金属盐溶液中，然后逐滴加入氢硫酸，不断搅拌使过渡金属硫化物接枝到隔膜的活性位点上；

（6）清洗与干燥：捞出经步骤（5）处理的隔膜，先用去离子水冲洗多次后再用无水乙醇冲洗多次，然后真空干燥，得到过渡金属硫化物修饰的聚烯烃隔膜。