[发明专利]一种锂硫电池的隔膜中间层材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种锂硫电池的隔膜中间层材料及其制备方法和应用。所述锂硫电池的隔膜中间层材料包括：负载金属氮化物的石墨烯纳米薄片；所述隔膜中间层材料朝向所述锂硫电池的阴极一侧设置，其中，石墨烯纳米薄片承载于隔膜的基膜之上，金属氮化物朝向所述阴极一侧；所述隔膜中间层材料的厚度为8‑12μm，面载量为1.0‑3.0mg/cmsupgt;2/supgt;。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种锂硫电池的隔膜中间层材料及其制备方法和应用。

背景技术

可充放电型锂离子电池是一种非常流行的新型储能设备，得到了广泛的研究和应用。随着当下纯锂离子电池发展瓶颈的出现，具有高能量密度的锂硫二次电池再次引起了人们的广泛关注，有望成为满足未来交通和自动驾驶汽车能源存储需求的新型储能设备。锂硫电池的正极活性成分为单质硫、电解质为含锂盐的有机溶液、负极为金属锂。放电时，阳极反应为锂失去电子变为锂离子，阴极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，其电化学反应为：S₈+Li＝Li₂S。由于发生多电子转移反应，因此，其理论比容量高达1672mAh/g，在高比能电池方面具有相当诱人的应用前景。

然而锂硫电池的实际应用还有许多问题需要解决如：正极硫在放电过程中会从环状的S8转化为线性结构的多硫化锂(Li₂S_x，x＝8、6、4和2)。在Li₂S₈、Li₂S₆、Li₂S₄和Li₂S₂等多硫化锂中，具有高的硫氧化数的多硫化锂(Li₂Sx，通常x4)特别容易溶解在电解液中。由于浓度差，溶解在电解液中的多硫化锂从正极向远处扩散即产生“穿梭效应”。“穿梭效应”降低了硫的利用率、比容量和循环性能。同时，多硫化物扩散至负极，与锂负极发生反应，引起电池自放电，并且反应产生固态绝缘的Li₂S和Li₂S₂，引起锂负极表面恶化和活性物质的不可逆损失。

作为一种简单有效的策略，在正极和隔膜之间加入中间层作为第二集流体，并能一定程度上阻挡多硫化物的穿梭，研究人员提出了各种材料如导电碳、金属氧化物、硫化物以及金属有机骨架来阻挡、捕获多硫化锂，隔膜中间层也可以通过涂覆等方式相对简易制备。但是由于这些材料较差的电导率或离子电导率，生成的Li₂S很难氧化回到可溶性多硫化锂，Li₂S的积累会导致活性材料的损失，并钝化中间层导致Li⁺的扩散通道被阻挡，从而导致电化学性能下降，因此迫切需要设计和开发一种不仅可以阻挡多硫化锂(LiPSs)，还可以加速Li₂S在中间层上的氧化的多功能隔膜中间层材料，来有效延长锂硫电池的循环使用寿命，提高其电化学存储性能，进一步实现新的拓展和应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种锂硫电池的隔膜中间层材料及其制备方法和应用。以锂硫电池的隔膜中间层材料代替传统的陶瓷隔膜，可以有效提升锂电池的安全性能，并降低电池直流内阻。

第一方面，本发明实施例提供了一种锂硫电池的隔膜中间层材料包括：所述锂硫电池的隔膜中间层材料包括：负载金属氮化物的石墨烯纳米薄片；

所述隔膜中间层材料朝向所述锂硫电池的阴极一侧设置，其中，石墨烯纳米薄片承载于隔膜的基膜之上，金属氮化物朝向所述阴极一侧；

所述隔膜中间层材料的厚度为8-12μm，面载量为1.0-3.0mg/cm²。

优选的，所述金属氮化物包括：氮化钪、氮化钛、氮化钒、氮化铬、氮化锰、氮化铁、氮化钴、氮化镍、氮化铜、氮化锌、氮化钼中的一种或多种。

优选的，所述石墨烯纳米薄片中还包括粘合剂；所述粘结剂包括聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠和聚氨酯中的一种或多种。