[发明专利]一种二维二氧化锰修饰聚丙烯隔膜的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维二氧化锰修饰聚丙烯隔膜的制备方法，以氧化石墨烯纳米片为模板制备的二氧化锰纳米片，采用真空抽滤的方法，在商业聚丙烯隔膜上自堆叠形成层状隔膜，之后进行热处理，从而制得功能性隔膜；本发明提供的二氧化锰功能化隔膜表现出比纯聚丙烯隔膜以及其他材料制备的功能性隔膜更高的阻硫效果。

技术领域

本发明属于锂硫电池隔膜技术领域，特别涉及一种二维二氧化锰修饰的聚丙烯隔膜，及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着各种电子设备的不断发展和大规模储能的不断增加，人们越来越需要高能量密度、长使用寿命的储能电池。目前，已经被广泛应用的锂离子电池具有自放电小、比容量高、循环寿命长、电压高等特点。然而，传统的锂离子电池的能量密度即将接近其理论能量密度极限(250Wh/kg)，并且电池制造的成本较高，不能大电流放电，这些问题导致锂离子电池已经无法满足人们对新能储能电池的需求。因此，对下一代高能量密度储存系统的研发已经迫在眉睫。

锂硫电池因其具有较高的能量密度（2600 Wh/kg）而备受关注，各界学者对锂硫电池存在的问题进行了研究，并且取得了突破性的进展，从而推动了锂硫电池的发展进程。但是锂硫电池中的“穿梭效应”仍未得到解决，锂硫电池商业化还有很长的路要走。在放电过程中正极硫发生还原反应，会生成易溶于电解液的长链聚硫化物。长链聚硫化物穿过隔膜到达负极，与金属锂发生反应生成短链聚硫化物，短链聚硫化物又会迁移到正极生成长链聚硫化物，而这是一个不可逆的过程，进而导致电池内部活性物质的减少，容量的快速衰减，循环寿命低下，严重限制了锂硫电池的产业化发展。

隔膜作为电池结构中的核心组件之一，其主要功能：其一是防止电池正极和负极直接接触，发生短路现象，其二是隔膜内部中存在孔道，能保持正极和负极两侧的电解液互相联通，从而维持正极和负极之间的离子通道。目前商业化的隔膜主要有聚乙烯、聚丙烯微孔膜。均匀地分布在隔膜上的微孔，虽然可以保证锂离子的通过，但这些微孔没有任何的选择性，因此在锂硫电池充放电过程中，溶解在电解液中的中间产物能够轻易地通过微孔穿过隔膜到达负极。这就造成了活性物质的大量损失和负极锂的腐蚀，从而导致电池容量的快速衰减，循环寿命降低。此外，这些商业化的隔膜都是非极性材料，对电解液有较差的润湿性，这会导致较高的电化学阻抗。

基于以上所述，迫切需要对传统隔膜进行改良，以开发出能够有效抑制反应中间产物穿梭，具有良好的电解液润湿性，并且不阻碍锂离子传递的隔膜，从而提高锂硫电池整体性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有锂硫电池隔膜存在的问题，提供一种二维二氧化锰（MnO₂）修饰的聚丙烯隔膜的制备方法，并应用于制备锂硫电池，从而实现锂硫电池高的容量保持率和较长的循环寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种二维二氧化锰修饰聚丙烯隔膜的制备方法，包括如下步骤：

1）将粉末状氧化石墨烯和水按照1 mg:5 mL的比例超声波混合之后，加入0.016 g/mL的高锰酸钾溶液10 mL，磁力搅拌20～30min后在烘箱中反应，将反应液离心，得到二氧化锰分散液；

2）将二氧化锰分散液用体积浓度为60～80%的乙醇水溶液稀释并充分混合，得到二氧化锰浓度为0.03～0.06 mg/mL的混合分散液，用循环水泵低压抽滤混合分散液，使二氧化锰堆叠在聚丙烯隔膜上，之后于真空环境下40～70℃干燥10～20 h，即得所述的二维二氧化锰修饰的聚丙烯隔膜。