[发明专利]一种锂硫电池多功能隔膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池多功能隔膜，包括隔膜基体，隔膜基体的至少一个表面覆有改性涂层，改性涂层为含有聚多巴胺、碳材料和催化材料的复合涂层，催化剂为金属硫化物、金属碳化物、金属氧化物中的一种或多种。其制备方法是先制备聚多巴胺/碳分散液，然后与催化材料、增稠剂等助剂混合均匀制备成浆料，最后将浆料涂覆在隔膜基体的表面，干燥，即得到锂硫电池多功能隔膜。本发明制备的锂硫电池隔膜对多硫化物同时具有抑制穿梭和催化转化的功能，聚多巴胺分子链中的含氧官能团抑制多硫化物穿梭，同时在催化材料和碳材料的作用下将多硫化物吸附在隔膜涂层侧，通过“抑制‑转化”的作用阻止多硫化物穿梭到负极，从而显著提高锂硫电池的循环寿命。

技术领域

本发明属于新能源材料与器件领域，特别涉及一种锂硫电池多功能隔膜及其制备方法。

背景技术

电化学储能体系是实现可再生清洁能源转化、储存和控制的关键体系，其特点是安全、廉价、高效和长寿命，实现化学能和电能间的转化。目前商业化的锂离子电池，与传统铅酸电池、镍氢电池和镍铬电池等相比，具有重量轻、低自放电、无记忆效应等优点。随着商业化进程的发展，锂离子电池应用领域也从手机和笔记本电脑等便携式电子商品，拓展到了电动汽车、电动工具、国防、航空航天等领域。但是目前商业化的锂离子电池能量密度较低，不能满足电动汽车等对动力电池的续航里程具有更高的要求。因此，寻求高比容量和高能量密度的电池体系是储能领域研究的重要目标。

锂硫电池是以单质硫作为正极材料，金属锂作为负极材料的电池体系。由于正极材料单质硫价格低廉、环境友好以及高比容量等优点受到广泛关注。单质硫电极的理论比容量为1675mAh/g，拥有高理论比容量和高能量密度的锂硫电池极有潜力成为下一代动力电池，实现商业化应用。

锂硫电池充放电过程是一个固相—液相—固相的复杂相转移过程。在放电过程中，单质硫首先得到电子还原生成可溶性的聚硫离子S₈^2-，然后通过逐步还原生成Li₂S₂和Li₂S。锂硫电池充放电过程产生的中间产物多硫化物可溶解在电解液中，在充放电结束时并不能完全转化为最终产物，导致活性物质损失，电池比容量減少。在充电过程中固相Li₂S₂和Li₂S会失电子氧化得到长链多硫化物，溶解于电解液中的长链多硫化物在浓度梯度作用下会迁移到负极。在负极表面，长链多硫化物会和金属锂反应还原得到短链多硫化物，甚至形成难溶的Li₂S₂和Li₂S沉积在负极表面。这不仅会腐蚀锂电极表面破坏SEI膜，而且增加了锂负极表面重新获取电子和提供锂离子的阻力，也增加了活性物质的损失。而另一方面溶于电解液中的短链多硫化物在电场力的作用下回到正极，进一步氧化得到长链多硫化物，进而产生“穿梭效应”。穿梭效应不仅会导致电池充放电效率降低，而且活性物质难以得到充分利用。随着充放电反应的进行，多硫化物的穿梭和沉积作用会不断损失电池比容量，减少电池的循环寿命。因此，需要在锂硫电池的正极和负极之间设置隔膜来阻隔多硫化物穿梭。然而，在锂硫电池充放电过程中，溶解的多硫化物通过隔膜的孔道进行往复穿梭，会导致电池性能下降。因此，通过对隔膜进行改性能够抑制多硫化物在隔膜间的穿梭，降低穿梭效应带来的负面影响，从而提高电池的循环寿命和充放电效率。

目前，锂硫电池改性隔膜有采用聚多巴胺和碳材料通过简单混合制备成浆料，然后涂覆在基体隔膜上制成改性隔膜，然而采用简单混合很难将聚多巴胺和碳材料分散均匀，对隔膜的改性能力有限，如果未分散均匀的碳颗粒并不具备阻隔多硫化物的能力，甚至会使锂硫电池性能变差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种锂硫电池多功能隔膜及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：