[发明专利]一种电池用复合材料夹层、其制备方法和应用

说明书

本发明属于复合材料技术领域，更具体地，涉及一种电池用复合材料夹层、其制备方法和应用。该复合材料夹层为具有导热和催化功能的夹层，其包括能够传递锂离子的聚合物材料、石墨烯和催化材料，其中高导热的石墨烯以连续网络结构存在，构建了良好的导热通路，提升了复合材料的导热能力，可均匀耗散电池内部的热量；同时聚合物材料既有利于锂离子的传导，又可以阻挡多硫化物穿梭；催化材料可促进电池内部多硫化物的转化，提升电池的电化学性能。本发明提供的复合材料夹层主要应用于锂硫电池，可同时实现电池内部热量的均匀耗散和电池性能的提升。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，更具体地，涉及一种电池用复合材料夹层、其制备方法和应用。

背景技术

能源问题一直是关乎国家和社会发展的关键问题。我国人口众多、人均能源资源拥有量低，随着经济规模不断扩大，资源约束日益趋紧。然而目前我国的能源发展方式粗放、化石能源储量有限，造成严重的环境污染以及能源危机。新型能源具有清洁环保、可再生的优势，可以显著缓解目前的环境和能源问题，但由于部分新型能源受自然条件的限制，不能持续稳定地提供能量。因此需要研究、开发具有高能量密度、高比电容和廉价的能量存储体系，实现能量的储存和再分配。从储能产业的发展现状看，电化学储能是目前发展最快、应用最广泛的储能技术，具有可控性和模块化程度高等特点。

在目前的电化学储能设备中，锂硫电池因具有高能量储存密度、长使用寿命、高额定电压、绿色环保等优点而备受关注。但其也存在多硫化物穿梭导致的电池容量衰减问题，更严重的是在锂硫电池充放电过程中，内部锂枝晶的生长易刺穿隔膜，引起电池内部短路，导致电池爆炸等一系列安全事故，严重限制了锂硫电池的发展和应用。

目前电池隔膜多为聚烯烃多孔隔膜，由于隔膜的孔隙过大不能有效地阻隔多硫化物穿梭，导致电池容量衰减；又由于隔膜的力学强度较差不能抑制锂枝晶的刺穿而存在安全隐患。为了解决这些问题，传统改性方法通过在隔膜表面涂覆致密层，例如专利CN107994184A公开了一种在商业隔膜表面修饰致密的固态电解质膜的复合隔膜材料，防止多硫化物的穿梭；通过在隔膜表面涂覆高强度材料，例如专利CN111682147A公开了一种在商业隔膜表面修饰高强度MOF材料的复合隔膜材料，增加复合隔膜的强度，防止锂枝晶的刺穿；或者在锂金属表面包覆一层保护层，例如专利CN109585947A通过在锂金属表面原位生成复合保护层，防止锂枝晶的生长。但随着研究的深入，研究者发现电池的组装方式也会导致电池内部热量耗散不均，电池的中间温度高于边缘温度。电池内部不均匀的热力场是电池的固有问题，不可避免，而聚烯烃多孔隔膜由于导热性能差，加剧了电池内部热量分布的差异；在电池内部温度高的地方，电流密度大，多硫化物穿梭严重，同时锂离子迁移快，锂枝晶生长迅速。因此，电池内部热量耗散不均是目前限制锂硫电池发展和应用的关键问题。

由于改性涂层多为高分子材料或者金属有机框架材料等热导率低的材料，造成电池复合隔膜导热性能差。电池充放电过程中产生的热量在复合隔膜表面集聚，造成电池内部局部温度过高，进而导致一系列严重后果。传统的隔膜表面改性方法改善了多硫化物穿梭以及锂枝晶生长问题，但电池内部热量耗散不均的问题依然存在。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有导热及催化功能的锂硫电池复合材料夹层，旨在解决锂硫电池内部温度分布不均匀、导致局部温度过高，过硫化物穿梭严重，锂离子迁移快、锂枝晶生长迅速等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电池用复合材料夹层的制备方法，包括如下步骤：

(1)将催化材料前驱体溶解于氧化石墨烯的水溶液，搅拌得到均匀分散的氧化石墨烯-催化材料前驱体混合分散液；

(2)将步骤(1)得到的氧化石墨烯-催化材料前驱体混合分散液，采用冰模板法制备得到氧化石墨烯/催化材料前驱体气凝胶；

(3)将步骤(2)得到的氧化石墨烯/催化材料前驱体气凝胶在保护气氛下热处理，得到石墨烯/催化材料气凝胶；