[发明专利]一种用于锂硫电池功能性隔膜涂层材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂硫电池隔膜技术领域，公开了一种用于锂硫电池功能性隔膜涂层材料及其制备方法，该功能性隔膜涂层材料主要由金属卟啉和粘接剂构成，其中，金属卟啉主要由卟啉配体与中间金属元素组成，中间金属元素为排除锂元素后的金属元素；金属卟啉与粘接剂的质量比为9:1～2:1。本发明通过对该功能性隔膜涂层材料的关键组成及结构，以及制备方法的整体流程工艺设计和各个步骤的条件与参数进行改进，最终形成的功能性隔膜涂层材料，既能够提供极性元素与多硫化合物产生相互作用力来抑制多硫化合物的穿梭，又可以促进多硫化合物之间的相互转化，进而减轻充放电过程中多硫化合物的溶解和穿梭，最终提高锂硫电池的活性物质的利用率和循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂硫电池隔膜技术领域，更具体地，涉及一种用于锂硫电池功能性隔膜涂层材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池由于具有较高的理论比容量(1675mAh g^-1)、高能量密度(2600Wh kg^-1)、元素硫成本低、自然界含量丰富和环保等优势而受到广泛的关注。然而，一些缺点的存在阻碍了它们的实际应用。例如长链多硫化合物溶解到液体电解液中，可溶的多硫化合物会在正负极之间穿梭导致腐蚀负极锂金属和严重的自放电现象，这就是所谓的“穿梭效应”，最终导致锂硫电池的比容量、循环寿命和库伦效率都会迅速下降。

近年来，为了改善锂硫电池的电化学性能，人们致力于克服“穿梭效应”的各种策略，如载硫体设计、电解质体系创新和隔膜改造等。其中，隔膜改性是一种很有前途的策略来阻止多硫化物溶解到电解质中，进一步提高正极中活性硫材料的利用率。大量的功能材料被用来改性隔膜，其中，纳米碳材料因具有比表面积大、导电性好等优点，通过物理阻挡多硫化合物的穿梭得到了广泛的应用。但是，它们与极性多硫化合物之间弱亲和性限制了其保持高的比容量。相反，极性杂元素如氧元素、氮元素、硫元素等都可以与多硫化合物之间产生静电相互作用力，较纯碳材料的弱物理阻隔性能更能有效地抑制“穿梭效应”。

此外，锂硫电池在充放电过程中，多硫化合物的中间产物会相互转化反应往往较为缓慢，尤其是在超长循环过程中会增加多硫化合物的溶解。因此制备出一种既与多硫化合物有相互作用力，又可以催化多硫化合物之间相互转化的功能性隔膜涂层材料势在必得。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种用于锂硫电池功能性隔膜涂层材料及其制备方法，其中通过对该功能性隔膜涂层材料的关键组成及结构(尤其是卟啉配体的结构、中间金属元素的选择)，以及制备方法的整体流程工艺设计和各个步骤的条件与参数(如反应原料的种类及配比、卟啉配体合成过程中的反应温度及时间等)进行改进，最终形成的功能性隔膜涂层材料，与现有技术相比既能够提供极性元素与多硫化合物产生相互作用力来抑制多硫化合物的穿梭，又可以通过金属卟啉中的金属与电解质之间的界面对极性多硫化合物的活化作用来促进多硫化合物之间的相互转化，进而减轻充放电过程中多硫化合物的溶解和穿梭，最终提高锂硫电池的活性物质的利用率和循环稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于锂硫电池功能性隔膜涂层材料，其特征在于，该功能性隔膜涂层材料主要由金属卟啉和粘接剂构成，其中，所述金属卟啉主要由卟啉配体、以及位于卟啉配体内部的中间金属元素组成，所述中间金属元素为排除锂元素后的金属元素；所述金属卟啉与所述粘接剂的质量比为9:1～2:1。

作为本发明的进一步优选，所述金属卟啉具有如式(I)所示的化学结构：

式(I)中，R₁为烃基、苯基、羧酸基或酯基；R₂为烃基、氰基、苯基或卤素元素；x代表所述中间金属元素，具体为Co、Ti、Fe、Zn、Ni、Cr或Sc。

作为本发明的进一步优选，所述粘接剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)、羟甲基纤维素(CMC)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯腈(PAN)或聚丙烯酸酯(PEA)中的一种。