[发明专利]一种锂硫电池的插层材料

说明书

本发明属于锂离子电池领域，并公开了一种锂硫电池的插层材料。该插层材料包括基体层和附着在该基体层上的隔离层，基体层是锂硫电池中的聚丙烯隔膜，隔离层的原材料是n型碲化铋块体，其通过磁控溅射的方法直接溅射在聚丙烯隔膜上，以此在基体层上形成一层薄膜，即隔离层，该隔离层用于在聚丙烯隔膜的表面形成阻隔，避免锂硫电池在充电过程中多硫化锂在正负极之间来回穿梭，抑制多硫化锂的穿梭效应。通过本发明，有效缓解锂硫电池的穿梭效应，提高锂硫电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，更具体地，涉及一种锂硫电池的插层材料。

背景技术

随着电动汽车、大规模储能电站等技术发展，人们对单个电池的容量要求逐渐升高，而目前商业化使用的正极材料的容量已经无法满足日益增长的应用需求，从而成为限制锂离子电池能量密度的主要“瓶颈”。单质硫的理论比容量为1675mAh/g，以硫作为锂离子电池的正极材料，可使电池的理论能量密度达到2600W/kg，足以满足电动汽车等应用的需要。因此，以含硫复合物作为正极的锂硫电池成为近年来研究的热点。

但锂硫电池存在一系列问题制约其商业化进程，如单质硫和其放电终产物硫化锂的低电导率限制了活性物质的利用率和电池的倍率性能；充放电过程中产生的中间产物多硫化锂可溶解于电解液，并在正负极之间来回穿梭，使电池容量迅速衰减，这个过程即穿梭效应。目前，抑制多硫化锂穿梭效应的手段分为两类：一类是化学吸附作用，通过极性载体材料与多硫化锂之间的化学吸附作用来限制多硫化锂的溶解和扩散，如文献NatureCommunication(2014，5，4759)；另一类是物理限域作用，通过设计具有大比表面积和丰富孔结构的载体材料来吸附多硫化锂，或在正极和隔膜之间添加吸附层(即插层)防止多硫化锂扩散到负极，如文献Nature Materials(2009，8(6):500-506)。在已有的锂硫电池插层材料中，大部分研究工作均采用浆料涂覆方法，如文献Advanced Functional Materials(2014，24(33):5299-5306)。这种涂覆的浆料一般由插层材料和粘结剂组成，而粘结剂的较差导电性会引起硫活性下降，并且粘结剂自身质量加重了电池总质量从而降低电池的能量密度。同时，浆料涂覆插层材料的均匀性欠佳，机械稳定性也比较差。

针对锂硫电池中多硫化锂的穿梭效应问题，本发明提出了一种锂硫电池插层材料及其制备方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种锂硫电池插层材料，通过磁控溅射的插层薄膜隔离层阻挡多硫离子向负极扩散，不仅解决了普通浆料涂覆插层材料的较差机械稳定性和非均匀性，还避免了粘结剂等其他添加剂的使用，最终有效缓解锂硫电池的穿梭效应，提高锂硫电池的循环稳定性。此外，通过采用n型碲化铋这种半导体材料作为锂硫电池插层材料，有利于增大电池中电子传输和非导电硫元素的活性。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种锂硫电池的插层材料，其特征在于，该插层材料包括基体层和附着在该基体层上的隔离层，所述基体层是所述锂硫电池中的聚丙烯隔膜，所述隔离层的原材料是n型碲化铋块体，其通过磁控溅射的方法直接溅射在所述聚丙烯隔膜上，以此在所述基体层上形成一层薄膜，即隔离层，该隔离层用于在所述聚丙烯隔膜的表面形成阻隔，避免所述锂硫电池在循环过程中多硫化锂在正负极之间来回穿梭，抑制多硫化锂的穿梭效应。

进一步优选地，所述n型碲化铋优选为Bi₂Te_2.3～3.0Se_0～0.5。

进一步优选地，所述聚丙烯隔膜优选为由多孔聚丙烯材料制成。

进一步优选地，所述隔离层的直径优选为15mm～21mm，质量优选为0.05mg～0.15mg，所述聚丙烯隔膜的直径优选为15mm～21mm，质量优选为2.5mg～3.5mg。

进一步优选地，所述磁控溅射工艺中优选采用基板匀速旋转模式，溅射电压优选为200V～400V，溅射时间1分钟～60分钟。