[发明专利]一种锂硫电池用隔膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用隔膜的制备方法，步骤为：(1)将MWCNTs加入到去离子水中，分散均匀，制成第一溶液；(2)将硫酸钛和CTAB加入到第一溶液中，进行反应，反应完成后，过滤得到第一产物；(3)将第一产物进行干燥，然后在管式炉内，在保护气氛下，进行加热制得TiO₂/MWCNTs产物；(4)将TiO₂/MWCNTs和PVDF用NMP调配成浆料，然后将浆料涂覆在聚丙烯隔膜上，干燥后得到TiO₂/MWCNTs功能性隔膜。本申请还公开了采用上述方法所制备的隔膜。该隔膜具有较大的比表面积和多孔结构，能够有效地抑制锂硫电池充放电过程中多硫化锂的“穿梭效应”，改善锂硫电池的循环性能和库伦效率。

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池用隔膜及其制备方法，属于锂硫电池技术领域。

背景技术

锂硫电池具有高达1675mAh g^-1的理论比容量和2800Wh L^-1的理论能量密度，但是在实际测量时远远达不到理论值，这是因为锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化物Li₂S_x(4≤x≤8)会溶解在电解液中并且扩散至负极，在负极被还原成难溶的Li₂S和Li₂S₂，沉积在负极表面直接造成活性物质的不可逆流失，导致循环稳定性和库伦效率的降低。已经有学者利用具有物理吸附作用的碳材料(如石墨烯、碳纳米管、碳钎维等)对正负极之间的原始隔膜进行修饰，制备出一种能够抑制“穿梭效应”的功能性隔膜。但是，随着研究的深入，人们发现仅使用碳材料抑制“穿梭效应”是不够的，这是因为碳材料作为一种非极性材料，对极性的多硫化物吸附能力有限，在长期的循环过程中，不能实现对多硫化物的有效捕捉和再利用，导致电池循环稳定性下降和库伦效率降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明首先提出了一种锂硫电池用隔膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将MWCNTs(多壁碳纳米管)加入到去离子水中，分散均匀，制成第一溶液；

(2)将硫酸钛和CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)加入到第一溶液中，进行反应，反应完成后，过滤得到第一产物；

(3)将第一产物进行干燥，然后在管式炉内，在保护气氛下，进行加热制得TiO₂/MWCNTs(二氧化钛/多壁碳纳米管)产物；

(4)将TiO₂/MWCNTs和PVDF(聚偏氟乙烯)用NMP(N-甲基吡咯烷酮)调配成浆料，然后将浆料涂覆在聚丙烯隔膜上，干燥后得到TiO₂/MWCNTs功能性隔膜。

具体地，步骤(1)中，第一溶液中，MWCNTs的浓度为4-6g/L。

多壁碳纳米管浓度过低，使复合产物中具有导电性的碳纳米管含量减少，从而使改性隔膜的电阻增大，降低电池的性能。多壁碳纳米管浓度过高，使复合产物中二氧化钛的含量减少，从而不能有效地吸附多硫化物，降低电池的性能。因此通过对多壁碳纳米管浓度的控制和调节，能够有效提高电池的性能。

具体地，步骤(2)中，硫酸钛、CTAB和MWCNTs的质量比为6:1:4-6:1:6。通过对反应物浓度的控制和调节，能够有效调节产物在多壁碳纳米管表面的生成速率和负载量。通过使用CTAB表面活性剂，能够增加多壁碳纳米管表面活性位点，从而保证产物和多壁碳纳米管的有效复合。

具体地，步骤(2)中，反应温度为90-110℃，反应时间为3-9h。通过对水热反应温度和反应时间的控制和调节，能够有效控制生成的多孔二氧化钛粒径在50～60nm之间。

具体地，步骤(3)中，第一产物进行干燥时的温度为60-80℃。通过调节温度在该范围内，保证产物能够有效被干燥，并且保证产物不被高温破坏。