[发明专利]一种氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料改性锂-硫电池隔膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料涂层改性锂‑硫电池隔膜的制备方法，是将氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料和导电剂研磨混合后添加到粘结剂溶液中并搅拌均匀后用溶剂调节浆料的粘度至500~1500 mPa·s，搅拌、均质得到均匀浆料；然后将均匀浆料采用涂布技术涂覆于商业隔膜表面形成涂层，涂层经热固化，即得氮掺杂黏土矿物负载钴的杂化材料改性隔膜。本发明改性隔膜可通过吸附和双催化性能有效促进锂‑硫电池中的反应过程，从而抑制聚硫化物穿梭，显著改善锂‑硫电池的容量、动力学和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种改性锂-硫电池隔膜的制备方法，尤其涉及一种氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料改性锂-硫电池隔膜的制备方法，以促进锂-硫电池中聚硫化物的催化转化过程，从而抑制聚硫化物的穿梭，显著提高锂-硫电池的容量、动力学和倍率性能。

背景技术

随着新兴能源的飞速发展，高能量密度的锂金属电池得到了人们的广泛关注。锂-硫电池作为典型的锂金属电池，因其较高的理论容量和能量密度被认为是最有潜力的下一代能量储存设备。然而，活性物质硫的不导电性和聚硫化物的“穿梭效应”导致了锂-硫电池较低的活性物质，利用率和较差的循环寿命，严重阻碍了其实际应用。因此，抑制聚硫化物穿梭和提高活性物质利用率成为推动锂-硫电池发展的主要技术途径。硫复合正极材料的构筑成为解决上述问题的有效方法之一（如CN201810889071.X、CN201811186238.2…）。但是在硫复合材料中，主体材料占其总量的30~60%，严重制约了锂-硫电池能量密度的发挥。此外，合成过程通常复杂而昂贵，且会产生化学废品。功能化隔膜为解决锂-硫电池的关键科学问题提供了有效的平台。目前，各种复合材料改性隔膜已用于锂-硫电池，提高电池的活性物质利用率和循环稳定性，并取得了一些显著进展，如碳材料（CN105489814A）、氮掺杂碳材料（CN108565386A）、科琴黑包覆金属氧化物（CN105280867A）、多巴胺（CN104051695A）、锂镧锆氧/单离子导体聚合物（CN109671895A）等。然而，锂-硫电池充放电过程是一个缓慢的氧化还原反应过程，聚硫化物中间产物会在材料表面逐渐富集，当材料有限的活性位点被聚硫化物完全占据之后，电池又会发生严重的聚硫化物穿梭。因此，为了加速聚硫化物的快速转化，金属氮化物/金属氧化物（CN111864156A）、石墨烯复合碳化钼/碳化钨/氮化钛（CN106784554A）等催化材料已经被用于改性隔膜，提高锂-硫电池的反应动力学。但单一催化材料有限的吸附性能严重制约了催化材料的催化效率。因此，构筑兼具优异吸附性能和电催化活性的杂化材料成为解决锂-硫电池关键科学问题的有效手段之一。

研究发现，黏土矿物纳米材料对聚硫化物具有较高的吸附性能，应用于隔膜能有效抑制聚硫化物穿梭，显著提高了锂-硫电池的活性物质利用和循环稳定性（Adv. EnergyMater. 2018, 1801778《期刊论文》、发明专利ZL201710856895.2…）。然而，后续大量研究表明，黏土矿物复合隔膜仍然不能促进锂-硫电池中聚硫化物的转化速率。这主要是因为黏土矿物纳米材料对聚硫化物没有明显的电催化活性。基于此，本申请提出构筑兼具优异吸附性能（黏土矿物）和双电催化活性（金属钴和氮元素）的氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料，进而制备改性隔膜用于锂-硫电池，有望解决聚硫化物中间产物造成的“穿梭效应”和转化缓慢等关键问题，显著提高锂-硫电池的活性物质利用率和循环稳定性，进而推动锂-硫电池的快速发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料涂层改性锂-硫电池隔膜的制备方法，以抑制聚硫化物穿梭和促进聚硫化物转化，显著提高电池活性物质利用率、容量、动力学和循环稳定性，推动下一代高能量密度锂-硫电池的发展。

一、氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料涂层改性锂-硫电池隔膜的制备

本发明氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料改性锂-硫电池隔膜的制备方法，包括以下步骤：

1、氮掺杂黏土矿物负载钴杂化材料的制备