[发明专利]一种用于锂-硫电池的氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种用于锂‑硫电池的氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜的制备方法，本发明以氧化钨/黏土矿物纳米材料、导电剂和粘结剂混合、球磨后，加入溶剂调节浆料的粘度至700~1300 mPa•s，并搅拌均匀得浆料；然后采用辊涂方法将上述浆料涂覆于商业隔膜单侧，经热固化，得到的改性隔膜中，氧化钨/黏土矿物纳米材料具有强电催化活性和高吸附性能，能有效加速聚硫化物的催化转化反应；高电子导电性的碳材料有助于催化转化过程中电子的快速传递。制备的改性隔膜能有效抑制锂‑硫电池中聚硫化物穿梭造成的电池低容量、低活性物质利用、缓慢的动力学、较差的倍率性能和循环稳定的问题，从而显著提高电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种用于锂-硫电池的氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜的制备方法，属于锂电池技术领域。

背景技术

锂-硫电池具有高质量能量密度（2600 Wh kg⁻¹）和高体积能量密度（2800 Wh L⁻¹），被视为最有应用前景的高比能存储体系之一。但可溶性聚硫化物穿梭等问题严重制约了高能量密度锂-硫电池的发展。已有多种策略用于解决上述科学问题并取得了显著进展，如电极设计、隔膜修饰、电解液添加剂、负极保护和插层等。与其他策略相比，隔膜修饰具有简单高效、不易增加电池体积和质量、易产业化推广等优点。但商业隔膜的固有缺陷阻碍了其在锂-硫电池中的应用，例如较大且不规则的孔径结构，非极性表面等。因此，隔膜表面修饰成为解决锂-硫电池中聚硫化物穿梭的主要方法之一。目前大量的碳材料以及其他纳米材料改性隔膜，并已应用于锂-硫电池，例如氮化硼（CN110707269A）、钙钛矿（CN111416090A）等，显著改善了锂-硫电池的电化学性能。但在锂-硫电池中，可溶性聚硫化物属于锂-硫放电反应过程中的中间产物，由聚硫化物转化为固体的硫化锂过程在动力学上是相当缓慢的。而大多数极性物质无法加速聚硫化物向硫化锂的转化。因此，造成聚硫化物的富集，甚至不可制止的穿梭。研究表明，纳米氧化物材料（CN111370626A）、金属氮化物（CN111864156A）等催化剂改性隔膜可以有效加速聚硫化物的穿梭，显著改善了锂-硫电池的动力学、容量和循环稳定性等。但是上述单一催化剂不能有效发挥最佳的电催化活性。例如金属氧化物和金属硫化物等的电催化活性因其对聚硫化物较差的吸附性能受到严重制约。因此，通过构建兼具高吸附性能和电催化活性的纳米复合成为解决聚硫化物穿梭和加快聚硫化物转化的有效方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有商业隔膜在锂-硫电池应用中存在的技术缺陷，提供一种适用于锂-硫电池的氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜的制备方法，以推动下一代高能量密度锂-硫电池的发展。

一、氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜的制备

本发明用于锂-硫电池的氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）氧化钨/黏土矿物纳米材料的制备：将钨源添加到强极性溶剂中，搅拌、超声处理直至溶解；再添加黏土矿物纳米粒子，搅拌、超声处理得到均匀的悬浮液；调节悬浮液pH值至1~3后转移到反应釜中进行水热反应，产物经洗涤，干燥，研磨，得到氧化钨/黏土矿物纳米材料。

所述钨源为氯化钨、钨酸钠、六羰基钨、偏钨酸铵中的一种，所述黏土矿物纳米片为锂皂石、锂基蒙脱石、钙基蒙脱石、凹凸棒石、埃洛石中的至少一种；钨源和黏土矿物的质量比为1:0.3~1:3。

所述强极性溶剂为去离子水、乙醇、异丙醇、N, N-二甲基甲酰胺中的酰胺中的至少一种。

所述水热反应是在130~200 °C下反应12~48 h。

（2）氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜的制备：将氧化钨/黏土矿物纳米材料、导电剂和粘结剂混合、球磨后，加入溶剂调节浆料的粘度至700~1300 mPa•s，并搅拌均匀得浆料；然后采用辊涂方法将上述浆料涂覆于商业隔膜单侧，经热固化，得到用于锂-硫电池的氧化钨/黏土矿物纳米材料改性隔膜。