[发明专利]锂硫电池用二氧化钛胶体改性隔膜及其制备方法和锂硫电池

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用二氧化钛胶体改性隔膜及其制备方法和锂硫电池，包括聚丙烯隔膜和聚丙烯隔膜双面表面上包覆的厚度为1‑4μm的纳米级致密均匀的二氧化钛胶体层，制备方法简单，制备均匀致密的TiO₂胶体层以及配合形成Ti‑S键捕捉多硫化物，不仅能够有效抑制多硫化物扩散至负极与金属锂反应还可以减少活性物质的损失而造成的容量损失，抑制锂硫电池中穿梭效应从而提高电池的循坏稳定性。

技术领域：

本发明涉及锂硫电池，具体涉及一种锂硫电池用二氧化钛胶体改性隔膜及其制备方法和锂硫电池。

背景技术：

目前目前应用广泛的锂离子电池由于其理论比容量的限制，性能提升日益趋向于极限的锂离子的进一步发展遇到了一定的瓶颈，然而随着清洁能源存储、电子设备、电动汽车的发展，人们迫切需要发展新一代高比容量和高比能量的电池。锂硫电池中，由于硫的高理论比容量(1675mAh·g^-1)和高理论能量密度(2600Wh·kg)以及硫的成本低且环境友好等特点获得了研究人员与企业家广泛的青睐。锂硫电池虽然有以上优势，但是需要解决以下三个问题来维持电池的循环稳定性：1)硫以及产物Li₂S/Li₂S₂的导电性极差,严重影响了电极的活性物质面密度以及倍率性能；2)硫和硫化锂的密度分别为2.07g·cm^-3和1.66g·cm^-3,在充放电过程中有高达约79％的体积变化，容易导致活性物质从导电载体脱离，从而严重影响电池的循环寿命；3)穿梭效应：正极在放电过程中，以8个硫原子链接而存在的S会不断断键形成硫原子个数更少的中间产物(多硫化物)，这些产物可溶于电解液中扩散至锂负极并与锂负极表面反应，然而在充电时形成的多硫化物，在扩散作用下迁移至锂负极和锂反应，这不但使得活性物质硫的减少，而且降低了库伦效率和破坏了锂金属表面。

发明内容：

本发明的目的是提供一种锂硫电池用二氧化钛胶体改性隔膜及其制备方法和锂硫电池，制备方法简单，制备均匀致密的TiO₂胶体层以及配合形成Ti-S键捕捉多硫化物，不仅能够有效抑制多硫化物扩散至负极与金属锂反应还可以减少活性物质的损失而造成的容量损失，抑制锂硫电池中穿梭效应从而提高电池的循坏稳定性。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

锂硫电池用二氧化钛胶体改性隔膜，包括聚丙烯隔膜和聚丙烯隔膜双面表面上包覆的厚度为1-4μm的纳米级致密均匀的二氧化钛胶体层。纳米二氧化钛胶体层太薄，抑制多硫化物穿梭的效果不明显；纳米二氧化钛胶体层太厚，降低了离子迁移速度而增大极化。

更进一步地，所述锂硫电池用二氧化钛胶体改性隔膜靠正极一侧表面还包覆有多孔碳球。

所述多孔碳球的制备方法如下：无水乙醇、去离子水和浓氨水加入到反应釜中，搅拌中加入正硅酸乙酯，然后加入间苯二酚搅拌15-30min后加入甲醛反应20-24h，然后改变反应温度为78-82℃，反应28-30h，自然冷却静止获得沉淀物。将沉淀物放于管式炉在氮气氛围中780-810℃碳化3h后得到SiO₂@PF粉末，将SiO₂@PF粉末在2-3M NaOH溶液中55-65℃刻蚀20-24h，用去离子水抽滤洗涤除去杂质，然后105-115℃真空干燥后得到多孔碳球，简记为HPCS。

所述锂硫电池用二氧化钛胶体改性隔膜的制备方法，包括以下步骤：

1)在容器中加入乙醇和氨水，搅拌5-30min，加入有机钛盐后于42-48℃的水浴中搅拌3-8h，得到具有丁达尔效应的二氧化钛胶体；其中，氨水与乙醇的体积比例为1：160-1：440，有机钛盐与乙醇的体积比为1：150-1：300；

2)使用浸渍-提拉的方法，将聚丙烯隔膜快速放入二氧化钛胶体中，浸泡5-30s后，匀速提拉出，自然晾干后转移至干燥箱干燥，干燥温度为40-60℃，干燥时间为30-60min；