[发明专利]一种锂硫电池功能性隔层及其制备方法

说明书

本发明的技术方案涉及一种锂硫电池功能性隔层及其制备方法，属于材料化学领域。本发明首先以甲苯二异氰酸酯为原料制备聚脲多孔材料，再将其进行碳化后负载于2400隔膜表面得到功能性隔膜。该方法中制备的聚脲多孔材料碳化后得到具有多孔结构的碳材料，同时实现了碳材料骨架的氮掺杂，多孔结构能够对多硫化锂进行物理吸附，氮掺杂可以对多硫化锂进行化学吸附，二者协同作用，可以有效吸附锂硫电池充放电过程中产生的多硫化锂，减少正极活性物质的流失，提高电池的循环稳定性。

技术领域

本发明的技术方案涉及一种锂硫电池功能性隔层及其制备方法，具体涉及一种将聚脲多孔材料碳化进而制备功能性隔层的方法，属于材料化学领域。

背景技术

近年来,随着能源和环境问题的日益突出,电动车、智能电网、储能技术的迅猛发展,人们对能量转换设备提出了更高的要求。目前,现有的商品化能量转换装置主要是锂离子电池,但是传统的以过渡金属氧化物为正极材料的锂离子电池已经不能完全满足用电器具对高能量密度的需求。因此发展高能量密度和高安全性的电池体系就变得至关重要。硫是自然界含量丰富的元素之一,从20世纪70年代开始被提出作为电池正极使用。它具有1675mAh/g的理论比容量,与金属锂组成的锂硫电池体系拥有2600Wh/kg的质量能量密度,这种能量密度是现有锂离子电池的5倍。当然,锂硫电池的缺点也十分致命。其中正极材料硫是电子和离子绝缘体,其电子电导率大约是5×10^－30S·cm^－1；同时，充放电过程中产生的多硫化物能够溶解在电解液中,在浓差影响下,造成了飞梭效应,导致活性材料损失, 容量迅速衰退。而且,放电产物硫化锂同样也是电子和离子绝缘体,其密度与单质硫相差很大,充放电过程中电极会发生巨大的体积膨胀。此外,金属锂作为负极, 会产生枝晶、死锂和电极粉化,导致电池的循环性能变差,引发安全性能问题。因而导致了锂硫电池一直无法实现商业化。

为了解决这些问题，国内外的研究学者采取了很多办法，其中在锂硫电池中添加功能性隔层是一种行之有效且简便易行的方法，功能性隔层放置在正极和隔膜中间，能起到物理性或者是化学性的固定住多硫化物的穿梭的效果，这样就提高了正极活性物质的利用率，从而使锂硫电池的整体性能都得到提升。

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料。根据元素组成和键合方式的不同，多孔材料分为无机、无机-有机杂化和纯有机这三种形式的多孔材料。一般而言，无机材料及无机-有机杂化多孔材料，如活性炭、分子筛等，其分子结构不可设计，化学功能不可调。有机多孔材料是新兴的多孔材料，由轻元素组成的有机基元通过共价键连接形成，因此具有骨架组成丰富、比表面积大、孔径可控、骨架密度低、化学物理性良好、可修饰性强以及制备方法多样等特点，已经广泛应用于离子交换、吸附与分离、主客体化学等诸多领域。

发明内容

本发明的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种用于锂硫电池功能性隔层及其制备方法。该方法首先以甲苯二异氰酸酯为原料制备聚脲多孔材料，再将其进行碳化后负载于2400隔膜表面得到功能性隔膜。本发明克服了现有技术制备的锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”明显，电池的电化学性能不稳定的缺陷。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

(1)制备聚脲多孔材料：

取丙酮与去离子水，等体积混合均匀，在搅拌条件下向其中滴加甲苯二异氰酸酯，滴加完成后，在40～60℃条件下恒温3～6小时，反应完成后，离心，收集底部产物将其置于真空干燥箱中在30～60℃条件下干燥，得到粉末状聚脲多孔材料。

(2)碳化聚脲多孔材料：

将步骤(1)中制备的聚脲多孔材料置于管式炉中，在氩气气氛下以1～ 5℃/min的速率升温至500～800℃，保温1～3h，随后依然在氩气气氛下随炉冷却，得到碳化后的聚脲多孔材料粉末。

(3)制备功能性隔层：