[发明专利]一种锂化共价有机框架纳米片隔膜及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种锂化共价有机框架纳米片隔膜的制备方法，包括锂化共价有机框架纳米片和石墨烯纳米片相互混合均匀分布，锂化共价有机框架纳米片和石墨烯纳米片相互层叠交替设置，从而形成致密的纳米片复合隔膜。将该锂化共价有机框架纳米片隔膜作为锂硫电池隔膜的功能层，所述功能层设置在基础隔膜的正极侧表面。本发明进一步提供包括上述电池隔膜的锂硫电池和锂离子电池。本发明共价有机框架纳米片隔膜显著的提高了电池的循环稳定性和比容量，在电流密度0.5C(C＝1670mAh/g)下循环200圈容量仍能保持在750mAh/g，很大程度地提高了锂硫电池电化学性能，并且锂化的手段工艺简单，具备一定普适性。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种锂化共价有机框架隔膜及其制备方法和用途，其用于制备新型锂硫电池和锂离子电池。

背景技术

锂硫电池由锂负极、硫正极、隔膜和电解液组成，单质硫正极的理论比容量达到1672mAh·g^-1，与金属锂组成电池时电池对的理论能量密度可达2600Wh/kg^-1，该数值为锂离子电池能量密度的3～5倍(Advanced Materials.2015,27,1980–2006)，所以锂硫电池应当具有成为下一代高能量密度电池系统的可能性。在电池放电过程中，锂离子从负极移动到正极与活性硫发生反应，在正极生成多硫化锂(Li₂S_x,x＝4-8)，电位约为2.4V vs.Li/Li⁺。多硫化锂作为中间体又会转化为放电的最终产物Li₂S₂及Li₂S，电位约为2.1V vs.Li/Li⁺。充电过程中，Li₂S转变为S₈的同时，锂离子又重新返回负极。电化学总反应为(16Li+S₈＝8Li₂S)，每个硫原子有两个电子的转移(Chemical Reviews.2014,114(23):11751-11787)。硫电极在充放电过程中产生可溶的多硫化物，一方面导致高阶多硫化物跨膜扩散与金属锂负极直接反应生成低阶多硫化物，带来锂硫电池中的副反应循环，即“穿梭效应”，降低锂硫电池的库仑效率；另一方面也导致含硫组分在电池中的损失，使电池性能发生快速衰减(Acta Chim.Sinica.2017,75:173-188)。

共价有机框架(COFs)是近年来发展的一类通过共价键连接的多孔有机晶体材料。COFs材料的多孔性、结晶性及二维方向的π电子共轭体系、层间有序的π-π柱状堆积，赋予了该材料优良的物理化学性质，COFs材料具有密度低、结构有序、比表面积大、孔径尺寸和结构可调，并可以通过单体选择、先修饰、后修饰等方法实现功能化(Sci Sin Chim,2016,46:994–1006)。通过功能基团的引入，可以有效抑制多硫化物的跨膜扩散，因此，共价有机框架是锂硫电池的理想隔膜材料之一。但是共价有机框架不具有导锂功能，将限制电池的动力学过程，因此开发具有高速传导锂离子功能的共价有机框架材料是非常必要的。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种锂化共价有机框架纳米片隔膜及其制备方法，可以将本发明制备得到的上述锂化共价有机框架纳米片隔膜作为锂硫电池隔膜的功能层，并用于制备锂硫电池。本发明共价有机框架纳米片隔膜可以显著地提高锂硫电池的循环稳定性和比容量，在电流密度0.5C(C＝1670mAh/g)下循环200圈容量仍能保持在750mAh/g，很大程度地提高了锂硫电池电化学性能，并且锂化的手段工艺简单，具备一定普适性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种锂化共价有机框架纳米片隔膜，包括锂化共价有机框架纳米片和石墨烯纳米片，所述锂化共价有机框架纳米片和石墨烯纳米片相互层叠交替设置，从而形成致密的锂化共价有机框架纳米片复合隔膜，其制备方法，包括以下步骤：