[发明专利]一种改性锂硫电池三层共挤隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂硫电池技术领域，更具体地，涉及一种改性锂硫电池三层共挤隔膜及其制备方法和应用。本发明制备方法包括：(1)将复合聚丙烯颗粒放入第一螺杆挤出机(4)内，将辐射后的聚乙烯颗粒放入第二螺杆挤出机(5)内；(2)两种物料经过两台挤出机挤出后，分别经过两台熔体泵(7)增压，在三腔模具(14)内发生化学接枝反应，聚乙烯颗粒表面辐照后产生的自由基，与改性剂生成带负电的抑制基团；(3)反应后由三腔模具(14)进行流出。本发明三层共挤隔膜，使用了一种锂电池三层共挤隔膜生产设备，使原料由挤出机挤出的同时实现化学改性，解决多硫化物的“穿梭效应”，保证了隔膜生产的质量需求。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，更具体地，涉及一种改性锂硫电池三层共挤隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675m Ah/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(150mAh/g)，并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池。然而锂硫电池在充放电的过程中面临最大的问题是多硫化物的“穿梭效应”，即硫正极在充放电时产生长链多硫化物(LiSx(x＝4-8))，长链多硫化物易在电解液中溶解，迁移扩散至负极与金属锂发生还原反应生成短链多硫化物(LiSx(x＝1-2))，短链多硫化物通过浓度梯度扩散回正极被再次氧化。多硫化物的“穿梭效应”使短链多硫化物在正负极表面和隔膜中产生不可逆的沉积，降低电池的稳定度，同时造成活性物质损失，使电池的各项性能下降。

隔膜是锂硫电池的重要组成部分，决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性。因此，通过改进锂硫电池的隔膜解决多硫化物的“穿梭效应”是重要的技术途径。CN105977434A公开了一种球形中空氧化铈改性的锂硫电池隔膜及其制备方法以及具有该隔膜的锂硫电池，所述隔膜本体的一侧涂布有改性涂层，所述改性涂层中包含有球形中空氧化铈、导电剂和粘合剂，所述导电剂为科琴黑、导电炭黑Super-P、导电炭黑BP2000和乙炔黑中的一种或几种，所述隔膜本体为聚乙烯隔膜或聚丙烯隔膜；所述粘合剂为聚偏氟乙烯粘合剂。该技术方案将球形中空氧化铈应用在锂硫电池隔膜靠正极的一侧作为多硫化锂的阻隔层，此阻隔层允许锂离子通过，且对于正极产生的多硫化锂具有阻挡、吸附和催化的作用，其中导电剂的加入增加了此阻挡层的导电性以及电解液的浸润性，具有更高的比容量和更优异的循环性能。

CN111341971A公开了一种锂硫电池隔膜及其制备方法、锂硫电池和电子装置，该锂硫电池隔膜包括隔膜基材和形成在隔膜基材表面的掺硼金刚石复合材料层，其中，掺硼金刚石复合材料层表面活性位点多且具有导电性，一方面能够吸附锂硫电池电极反应的中间产物多硫化物，阻止其溶于电解液，从而使得硫释放更多的能量，另一方面能够导通电子，使得吸附其上的中间产物进一步转化为终产物，故该锂硫电池隔膜可有效提高锂硫电池的质量比容量和循环特性。

CN108565386A公开了一种锂硫电池隔膜及其制备方法、锂硫电池及其制备方法，所述锂硫电池隔膜包括支撑膜，所述支撑膜上复合有掺氮碳吸附-导电涂层，所述锂硫电池隔膜的制备方法包括如下步骤：将掺氮碳吸附-导电涂层涂覆于支撑膜上，干燥后，得到锂硫电池隔膜，缓解了传统的隔膜对于多硫离子基本上是没有阻挡作用，无法阻挡多硫化物溶出和穿梭现象的技术问题，通过在支撑膜上复合有掺氮碳吸附-导电涂层，使得多硫化物能够被吸附在隔膜上，进行强导电性转化，抑制多硫化物的“穿梭效应”，并降低界面反应阻力，有效回收正极与隔膜界面处的溶出硫，提高正极活性物质利用率，限制多硫化物的跨膜扩散，从而提高锂硫电池的循环性能。

然而，上述改性方案，虽然都提出了多硫化物的“穿梭效应”的解决方案，但对于隔膜本身的物理性能保护不够，获得的隔膜自身的质量是不够的，因此，现有技术缺乏一种同时解决改性和隔膜质量的锂硫电池隔膜。