[发明专利]一种双金属氮化物改性隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种双金属氮化物改性隔膜及其制备方法和应用，隔膜包含隔膜基底以及附着在隔膜基底表面的改性功能层，改性功能层包含钼镍氮化物和粘结剂。制备方法为：(a)取钼盐与镍盐溶于水中，后进行第一次加热并反应，反应后离心得到中间产物；(b)将中间产物干燥，后与氨气混合，进行第二次加热并反应，得到双金属氮化物；(c)将双金属氮化物溶于有机溶剂中，并加入粘结剂进行混合，得到混合液，后采用隔膜基底作为抽滤滤纸，于真空条件下将混合液抽滤，得到双金属氮化物改性隔膜。与现有技术相比，本发明的改性隔膜有效地抑制了穿梭效应，进一步提升了机械性能，大大减小被刺穿的概率，提高了锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种双金属氮化物改性隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动车、便携式电子设备和航空航天等技术的快速发展，传统的锂离子电池已经无法满足需求。采用硫或含硫化合物为正极，锂或储锂材料为负极，以硫-硫键的断裂/生成来实现电能与化学能的相互转换的锂硫电池体系因具有环境友好、成本较低和理论比容量高的特点，逐渐受到科研者的追捧。

锂硫电池主要由正极材料、电解液、隔膜以及负极材料构成。在放电过程中主要存在两个放电区域：高压放电区域(2.4-2.1V)，单质硫被还原成高价态聚硫离子(S_n^2-，5≤n≤8)后，与Li⁺结合生成的高阶聚硫化物溶于电解液；低压放电区域(2.1-1.5V)，高价态聚硫离子进一步被还原成低价态聚硫离子(S_n^2-，3≤n≤4)溶于电解液，再进一步还原成不溶于电解液的Li₂S₂、Li₂S。

目前，锂硫电池充放电过程中存在的问题主要有：(1)硫及硫化锂的导电率较低，且充放电的过程中硫粒子的体积变化较大从而破坏了电极结构；(2)充放电过程中生成的中间产物聚硫化物在有机电解液中高度溶解，导致活性物质损失和能量消耗；(3)溶解的聚硫化物会扩散至阴极生成Li₂S或者Li₂S₂沉淀影响电池性能；(4)溶解的聚硫化物易发生飞梭效应。飞梭效应和阴极表面的沉淀会导致硫的利用率低、硫正极的库伦效率低及容量衰减较快。

通过寻找合适的正极材料和电解质体系，可使锂硫电池的性能得到有效改善。而隔膜作为电池体系中的重要组成部分之一，其性能的优劣对电池性能同样有着重要的影响。隔膜位于正负极之间，在充放电循环过程中，防止正负极接触而发生短路，并且允许锂离子进行自由迁移。

优良的多孔性、弯曲性、收缩性、润湿性和离子导电率是隔膜材料所必须具备的性能，聚丙烯(PP)微孔膜、聚乙烯(PE)微孔膜以及Celgard公司生产的多层复合隔膜(PP/PE两层复合或PP/PE/PP三层复合)等传统的烯烃类隔膜是目前常用的锂硫电池隔膜。此类隔膜具有较好的化学和电化学稳定性、良好的机械强度且生产成本较低、孔径的尺寸可控。但此类隔膜在耐高温、耐大电流充放电性能上有着重大缺陷，应用到动力锂硫电池中存在巨大的安全隐患。同时，传统的聚烯烃隔膜不能很好地抑制锂硫电池充放电过程中所产生的中间产物聚硫化物的扩散。因此，研发并制备更高品质隔膜材料也成为改善锂硫电池整体性能重要方向之一。

专利CN106784539A公开了一种无纺布陶瓷隔膜及其制备方法和应用，具体是通过静电纺丝法制备无纺布纤维基膜，再采用离子体增强原子层沉积技术在其表面进行原子层沉积，使无机物均匀的包覆在聚合物纤维的表面，形成一维聚合物纤维为核，无机物为壳的核壳结构。通过静电纺丝得到的产物孔径较大，多硫化物容易穿过隔膜到达锂负极表面，从而造成锂负极的腐蚀影响电化学性能，静电纺丝得到的产物机械性能较差，当负极产生枝晶时容易刺穿隔膜，造成电池短路，从而造成一定的安全隐患。

发明内容