[发明专利]一种片状结构的锂硫电池功能性隔层的制备方法

说明书

本发明涉及一种片状结构的锂硫电池功能性隔层的制备方法，所述方法利用静电纺丝制备纤维膜，将其进行碳化后通过气相沉积法在其表面生长碳纳米管用作自支撑锂硫电池功能性隔层。本发明有效缓解了现有技术制备的锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”，改善了电池的电化学性能不稳定的缺陷。

技术领域

本发明涉及一种用于锂硫电池功能性隔层的制备方法，具体涉及一种先利用静电纺丝制备纤维膜，再将其进行碳化后，利用气相沉积法在其表面生长碳纳米管用作自支撑的锂硫电池功能性隔层制备方法，属于材料化学领域。

背景技术

随着经济的发展和生活方式的进步，人们对能源的需求随着时间的推移而稳步增长。随之而来的化石能源使用增加，与其相关的环境污染问题也日益严峻。为缓解污染问题并减少对化石燃料的依赖，需要开发和采用可再生能源的替代技术，如太阳能、风能等。然而，太阳能、风能属于间歇性可再生能源，难以持续且稳定的提供电力。因此，对可再生能源产生的电力进行有效和经济的储存则显得至关重要。可充电电池是最佳的电能储存系统之一。锂离子电池具有较高的能量密度，在便携式电子产品领域扮演着极其重要的角色。目前的锂离子电池技术是基于锂离子在电极材料上的嵌入和脱出，这限制了电荷的储存能量和电池的能量密度，商业钴酸锂电池容量极限为150mAh g^-1，远远无法满足现今便携式电子设备、电动汽车等产品的能量需求。因此，需要克服嵌入/脱出式复合电极的电荷储存限制，开发更高容量的电极材料来实现能量密度的进一步提高。

硫是地壳中含量最丰富的元素之一，具有1675mAh g^-1高理论比容量和2600Wh kg^-1的理论比能量，而且硫价格低廉、无毒、没有环境污染。硫的高容量是基于硫与硫化锂可逆的化合反应，每个硫伴随着两电子的转移，高于过渡金属一个或更少的电子转移。因此，锂硫电池是一种非有应用前景的二次电池。现阶段锂硫电池的商业化生产仍受到挑战，主要有以下几个原因：(1)硫和硫化物均为绝缘物质，导致高极化和低硫利用率；(2)在充放电过程中的产物会溶解于有机电解液中，进一步导致硫物种的损失；(3)深度的充放电循环，伴随着80％的体积膨胀，导致活性物质脱离集流体，破坏电极结构，导致容量快速衰减和库伦效率降低。除了硫正极以外，Li负极因其高反应活性极易产生枝晶。这些枝晶生长到一定程度后会刺穿隔膜，使正负极接触，发生短路，从而引发安全问题。

解决上述问题一种有效方法是将活性材料封装在导电框架，例如核壳纳米结构电极、纳米碳-硫复合电极以及导电高分子-硫复合电极。除了通过电极设计来封装活性物质外，在电极和隔膜之间添加自支撑功能的高导电、高比表面积的隔层也是一种提高锂硫电池性能的有效手段。在锂硫电池正极和隔膜间添加功能性隔层，作为物理屏障限制多硫化物迁移，提高硫利用率。

发明内容

本发明的目的为针对当前锂硫电池存在的穿梭效应明显的不足，提供一种用于锂硫电池的功能性隔层的制备方法。本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种锂硫电池功能性隔层的制备方法，包括以下步骤：

第一步：取适量聚丙烯腈，钛酸四丁酯，醋酸钴置于N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌12-24小时后，通过静电纺丝制得复合纳米纤维后先置于马弗炉中煅烧，随后随炉冷却，将其转移至管式炉中进行高温煅烧，自然冷却后得到片状结构复合前驱体材料。

进一步地，所述第一步中聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的质量体积比为1：10g/mL；钛酸四丁酯与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1：4-5；醋酸钴与N,N-二甲基甲酰胺的质量体积比为1：20g/mL。

进一步地，所述第一步马弗炉内的煅烧升温速率为1-5℃/min，煅烧温度为200-400℃，保温时间为1-2h。

进一步地，管式炉中高温煅烧升温速率为1-5℃/min，高温煅烧温度为600-800℃，保温时间为1-2h。