[发明专利]一种锂硫电池柔性插层膜材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂硫电池柔性插层膜及其制备方法，制备过程为将CNT、DMF和PEG400混合均匀，得到悬浮液，再将PVDF缓慢加入到悬浮液中，搅拌均匀后，在油浴锅中继续搅拌形成均匀粘稠的黑色铸膜液，随后以水为凝胶浴进行相转化，最后干燥完成制备。含CNT的悬浮液在加入PVDF后，由于PVDF的良好的粘结性，CNT有规律的进行了排列。相转化过程中DMF与水进行交换，形成膜内部的网络孔结构，网络孔由CNT交叉连接形成。本发明柔性插层膜应用于锂硫电池，膜内部F原子的掺杂可以吸附与固定多硫化物，同时膜内部提供限域空间，保障了良好的离子、电子传输路径，同时掺杂的CNT提高了材料的导电性，提升Li‑S电池的整体电化学性能。

技术领域

本发明属于电池储能材料技术领域，具体涉及一种锂硫电池柔性插层膜材料及其制备方法。

背景技术

当今石油能源短缺，人们致力于寻找可再生污染小的新能源，目前相对发展较为成熟的传统锂离子电池，却又因为电池容量低等受限于许多领域。经过世界各国科研人员的共同探索，人类已经在许多二次电池体系中取得了突破性进展，其中锂硫电池以高能量密度以及原料在自然界中储备丰富等优点得到了广泛的研究。锂硫电池实现16Li+S₈＝8Li₂S这一氧化还原反应过程中，伴随着多个发生相变的基元反应，每一步反应均能释放大量能量，这也是锂硫电池有着高能量密度的原因。其中锂片做负极，单质硫作为正极，锂硫电池的理论比容量高达1672mAh·g^-1，能量密度高达2600Wh·kg^-1，是传统锂离子电池的5倍。以上说明，锂硫电池对于未来人类在高用电领域的开拓有着重要的意义。但锂硫电池虽然有着极高的能量密度，但实际能量密度往往达不到理论值的一半，主要存在下面这些影响锂硫电池的性能：(1)在电池充放电过程中，中间基元反应产生的可溶性多硫化物由于浓度梯度以及电压的作用，由正极穿梭至负极，与负极的锂金属发生氧化还原反应，这一部分反应所产生的能量无法被外电路利用，而造成了实际电池容量的衰减。(2)S单质和部分放电产物的导电性差造成的电池内阻增加。(3)充放电过程中，物质的体积变化大造成的电池容量衰减，会极大的影响电池的使用寿命。(4)正极载硫量低以及引发电池安全隐患的锂枝晶问题。(5)电池组件材料的柔韧性较大，无法达到商业化所要求的机械强度。因此我们需要对锂硫电池的材料的功能做出以下的构想与设计：(1)电池内部有着合理的孔道结构，方便离子的通过与运输。(2)膜内部有着丰富的导电网络，依次来增加电子的传输速度，提高电能的释放和输出速度。(3)膜内部有着丰富的孔道结构，以此来缓解充放电过程中的物质的体积膨胀所带来的影响和增加载硫量。(4)膜内部有着分布均匀的极性物质，以此吸附和转化多硫化物，缓解电池的容量衰减。(5)膜具有良好的柔性，以此来达到扩大生产所要求的机械强度。

发明内容

本发明的目的在于设计出了一种锂硫电池柔性插层膜材料，所述插层膜材料由具有良好粘结性与柔韧性的高聚物PVDF和具有良好导电性的CNT复合而成。通过相转化的方法制得，并进行了膜的物质组成以及膜内部结构上的优化，从而达到加快离子与电子的传输，增加对可溶性多硫化物的吸附，提升导电性，增加膜的柔韧性等功能的实现，以此提升电池电化学性能和开拓电池的商业化应用前景。

本发明的目的之二在于提供一种锂硫电池柔性插层膜材料的制备方法，可操作高，污染小，且能够大规模，大面积的规模化生产，安全稳定的同时兼具成本低廉等优势。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种锂硫电池柔性插层膜材料，由PVDF(聚偏氟乙烯)有机物为高聚物和羧基化MWCNTs(多壁碳纳米管)复合而成；所述MWCNT由于PVDF的粘结性约束，有规律的进行了排列，呈织网状分散在膜的内部，所述MWCNTs在柔性插层膜材料中的质量百分数为45-60％，所述柔性插层膜材料膜的阻抗为50Ω。