[发明专利]一种根霉菌丝碳修饰的复合隔膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种根霉菌丝碳修饰的复合隔膜及其制备方法和应用，该复合隔膜是由基底隔膜和喷涂在基底隔膜一侧具有三维多孔结构的根霉菌丝碳构成，本发明以根霉菌丝作为碳结构前驱体，通过碳热反应来制备根霉菌丝碳，再通过喷涂法来制备根霉菌丝碳修饰的复合隔膜。该制备方法简单方便，易于控制，且利于大规模生产。该根霉菌丝碳修饰的复合隔膜组装的锂硫电池拥有出色的多硫化物吸附作用和较高的电子传导率，表现了良好的循环稳定性和优异的倍率性能。

技术领域

本发明涉及隔膜材料制备技术领域，具体涉及一种根霉菌丝碳修饰的复合隔膜及其制备方法和应用。

背景技术

高性能储能材料与器件是实现能源高效存储和利用的关键。其中，锂硫电池(LSBs)具有高能量密度(2600Wh kg^-1)、高体积密度(2800Wh/L)、高比容量(1675mAh g^-1)和低成本等优势，被认为是下一代二次电池有潜力的候选者，但是较低的活性物质利用率和有限的循环寿命等缺点，严重限制了锂硫电池的实际应用。造成上述问题主要有以下几个原因：i)锂硫电池反应过程会生成可溶性多硫化锂中间体，产生穿梭效应，使电池容量衰减严重，库仑效率降低；ii)反应过程中活性物质的体积变化导致循环过程中电极结构坍塌，容量迅速衰减；iii)S和Li₂S的固有绝缘特性导致活性材料利用率低，电池性能差；iv)不稳定的固体电解质界面(SEI)层和不可控的锂枝晶生长导致离子传输差、界面阻抗大、寿命短和安全问题。鉴于此，必须采取适当的措施来克服这些不利因素。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种根霉菌丝碳修饰的复合隔膜及其制备方法和应用，以解决现有硫锂电池的活性物质利用率低和循环寿命短的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种根霉菌丝碳修饰的复合隔膜，该复合隔膜是由基底隔膜和喷涂在基底隔膜一侧具有三维多孔结构的根霉菌丝碳构成。

本发明的有益效果为：本发明提供的根霉菌丝碳修饰的复合隔膜，在作为锂硫电池隔膜用时，将根霉菌丝碳一侧面向硫正极，为电化学反应提供良好的离子和电子扩散通道，缩短了离子的扩散距离，同时提高了电子与离子电导率。根霉菌丝碳本身具有较大孔隙率，能提供足够的空间来吸收溶解的多硫化物，并且可以作为第二集流体，在循环过程中重复使用被捕集的活性材料，提高活性材料的利用率，进而提高循环寿命。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所喷涂的根霉菌丝碳的涂层厚度为10～100μm，根霉菌丝碳的粗细为3～5μm，隔膜为聚丙烯膜，厚度为18～22μm。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：聚丙烯膜本身具有坚固而灵活的特点，用其制成的根霉菌丝碳修饰的复合隔膜在折叠和弯曲状态下亦具有高度柔性和延展性，同时，一定的涂层厚度和根霉菌丝碳粗细，可使根霉菌丝碳修饰的复合隔膜相比于聚丙烯具有更好的润湿性，有利于电解质的渗透以及锂离子和电子的传输。

进一步，根霉菌丝碳是通过以下制备方法制得：

(1)将根霉菌扩大培养得到根霉菌丝溶液，将根霉菌丝溶液经过滤、洗涤、干燥后，得到根霉菌丝；

(2)将根霉菌丝在惰性气体氛围下煅烧，然后冷却至室温，制得根霉菌丝碳，其中，煅烧温度为700～900℃，煅烧时间为1～3h。

进一步，步骤(1)扩大培养包括以下步骤：

(1)将根霉接种源接种至固体培养基表面，恒温恒湿培养至表面生长有根霉菌丝体；

(2)将根霉菌丝体接种至液体培养基内，然后置于恒温恒湿摇床培养，得到根霉菌丝溶液。

进一步，步骤(1)固体培养基为LB固体培养基，培养温度为26～35℃，湿度为60～70％，时间为2～7d。