CN105514482B - 一种锂硫电池功能隔膜的制备方法 - Google Patents

一种锂硫电池功能隔膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，将氧化石墨烯溶解在去离子水中，超声得到氧化石墨烯溶液，再将氢氧化锂、一氯乙酸加入氧化石墨烯溶液中，超声，得到羧基化氧化石墨烯溶液。将聚偏氟乙烯、导锂聚合物、造孔添加剂、去离子水、能溶解聚合物的溶剂、羧基化氧化石墨烯按比例混合后，在70℃下熟化、搅拌，并在常温下静置脱泡后得到铸膜液；将铸膜液刮制成湿膜；湿膜在空气中预蒸发后，放入混合凝固浴，然后浸泡在去离子水中形成初成膜；初成膜经处理后得到功能隔膜。本发明制备的锂硫电池隔膜，能够显著提高电池的容量保持率和库伦效率；显著提高了隔膜表面羧基官能团的密度，从而提高隔膜选择透过性功能。

Description

一种锂硫电池功能隔膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种锂硫电池隔膜的制备方法，属于锂硫电池材料领域。特别是涉及一种湿法制备锂硫电池隔膜的方法。
背景技术
能源是支撑现代社会发展的重要支柱，高效的储能系统将会给社会带来巨大的变革。电池是储存能源的主要途径之一，电池的更新换代给再生能源工业、电子产业和电动汽车行业带来了巨大的变革。
在商业应用中，锂离子电池使用磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等含锂金属氧化物作为正极。近年来电动汽车等行业的迅速发展对锂离子电池的能量密度和安全性能有了更高的要求。受过渡金属化合物正极材料储备锂容量的限制，现有的锂离子电池体系能量密度提升空间仍然十分有限，因此要开发具有更高能量密度的锂二次电池体系，必须发展新型正极材料，并以此新型材料构建新的锂二次电池反应体系。
在各种潜在的正极材料中，硫材料具有高容量密度(1672 mAh·g-1)、高能量密度(2600 Wh·kg-1）、来源广泛、成本低廉、环境相容性好等优势，这使硫作为一类正极材料备受关注。但是，锂硫电池的充放电过程是一个多电子反应，并伴随着复杂的相转化过程。发生电化学反应时，中间放电产物在电解液中发生溶解并在正负极之间循环穿梭。穿梭效应严重影响了锂硫电池的循环性能和库伦效率，并导致锂硫电池产生自放电严重等问题。
目前，锂硫电池采用的隔膜大部分为采用熔融拉伸法制备的微孔聚乙烯或聚丙烯膜。在传统锂离子电池中，隔膜具有防止电池内部短路，提供锂离子迁移通道的作用。然而，由于锂硫聚合物也能够通过隔膜迁移到负极，所以这种隔膜并不适用于锂硫电池体系。因此，开发新型锂硫电池功能隔膜是提高锂硫电池性能的关键之一。
本发明采用非溶剂致相分离法通过控制隔膜孔径大小和膜表面基团极性，制备具有锂离子选择透过性的功能隔膜，能够有效抑制穿梭效应的发生。
发明内容
针对目前锂硫电池隔膜无法抑制穿梭效应的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，采用该方法制备的电池隔膜具有锂离子选择透过性功能，能够有效提高锂硫电池的循环性能和库伦效率。
为了实现上述目的，本发明提供了一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯溶解在去离子水中，超声0.5-3h，得到浓度为0.005-0.05g/L的氧化石墨烯溶液；在超声条件下，将氧化石墨烯、氢氧化锂和一氯乙酸按质量比为1：（20-100）：（10-80）进行混合，超声1-5h，得到羧基化氧化石墨烯溶液；将羧基化氧化石墨烯溶液在20-50℃下进行真空干燥；将聚偏氟乙烯、导锂聚合物、造孔添加剂、去离子水、能溶解聚合物的溶剂、羟基化氧化石墨烯按1：（0.05-1）：（0.1-0.5）：（0.001-0.125）：（6.2-9.75）：（0.001-0.15）的质量比例混合后，在70℃下熟化24-48h、搅拌12-36h，并在常温下静置脱泡8-48h后得到铸膜液；将铸膜液刮制成湿膜；湿膜在空气中预蒸发后，放入纯水或混合凝固浴1-30min，然后浸泡在去离子水中形成初成膜；初成膜置于锂盐浓度为0.1-1mol/L的去离子水溶液中经过加热活化，活化温度为50-90℃，活化时间为0.5-3h，再置于无水乙醇中浸泡8-24h，取出，放入正丁醇中浸泡8-24h，在空气中晾干，得到锂硫电池功能隔膜。
所述能溶解聚合物的溶剂为二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯中的一种或多种；
所述造孔添加剂为聚乙二醇、氯化锂、聚乙烯吡咯烷酮、硝酸钠中的一种或多种；
所述导锂聚合物为聚丙烯酸、磺化聚醚砜、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种；
所述湿膜在空气中预蒸发时间为5秒-10分钟；
所述混合凝固浴的组成为：去离子水与二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯中的一种或多种，去离子水含量为50%-95%；
所述初成膜浸泡在去离子水中的时间为1-10天；
所述锂盐为氢氧化锂、氯化锂、硝酸锂中的一种或多种。
本发明具有以下优点：
1、本发明工艺通过控制隔膜孔径制备锂硫电池隔膜，与传统隔膜相比，本发明工艺制备的锂硫电池隔膜能够显著提高电池的容量保持率和库伦效率；本发明制备的锂硫电池功能隔膜分解电压在4.8V以上，隔膜表面孔径为10-1000nm，隔膜孔隙率在70%以上，在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率在75%以上，电池循环稳定后，库伦效率在99%以上；
2、本发明工艺采用羧基化氧化石墨烯作为隔膜添加剂使隔膜具有锂离子选择性透过性的功能，其表面含有的大量羧基官能团能够阻止锂硫化合物穿梭到负极，并为锂离子提供迁移通道；
3、本发明采用锂盐溶液加热活化的方法对隔膜进行处理，经处理后隔膜内部的羧基官能团迁移到隔膜表面，显著提高了隔膜表面羧基官能团的密度，从而提高隔膜选择透过性功能；
4、本发明制备工艺简单、条件温和，易于实现工业化。
附图说明
图1为本发明制备的隔膜SEM图。
具体实施方式
以下结合实施案例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。
将氧化石墨烯溶解在去离子水中，超声得到氧化石墨烯溶液。在超声条件下，将氢氧化锂、一氯乙酸加入氧化石墨烯溶液中，超声，使氧化石墨烯羧基化反应完全，得到羧基化氧化石墨烯溶液。将羧基化氧化石墨烯溶液进行真空干燥。将聚偏氟乙烯、导锂聚合物、造孔添加剂、去离子水、能溶解聚合物的溶剂、羧基化氧化石墨烯粉末混合后，经熟化、搅拌，并在常温下静置脱泡后得到铸膜液；将铸膜液刮制成湿膜；湿膜在空气中预蒸发后，放入凝固浴，然后浸泡在去离子水中形成初成膜置于含锂盐的去离子水溶液中经过加热活化后，置于无水乙醇中浸泡8-24h，取出后放入正丁醇中浸泡，在空气中晾干，既得。
实施例1：将100 mg氧化石墨烯加入100mL去离子水中，超声分散0.5h后，继续超声并依次缓慢加入10g氢氧化锂，8g一氯乙酸，最后超声5h，使氧化石墨烯羧基化反应完全，得到羧基化氧化石墨烯溶液。将羧基化氧化石墨烯溶液在50℃下进行真空干燥。将8g聚偏氟乙烯、8g磺化聚醚砜、0.004g聚乙烯吡咯烷酮、0.004g硝酸钠、1g去离子水、78g二甲基甲酰胺和1g羧基化氧化石墨烯在锥形瓶中混合均匀，在70℃下熟化48h、在70℃条件下搅拌12h，并在常温下静置脱泡48h得到铸膜液。将铸膜液倒在玻璃板上刮制成湿膜。湿膜在空气中预蒸发5s后，迅速放入凝固浴中1min，初步置换溶剂，凝固浴为含5%二甲基甲酰胺的去离子水溶液。经初步置换后的膜在去离子水中浸泡7天，形成初成膜。初成膜置于氢氧化锂浓度为0.1mol/L的去离子水溶液中经过50℃加热活化3h后，置于无水乙醇中浸泡8-24h，取出放入正丁醇中浸泡12h，在空气中晾干得到锂硫电池功能隔膜。该隔膜分解电压为4.9V，隔膜表面平均孔径为33nm，隔膜孔隙率为70%。采用硫粉作为正极，锂片为负极组装成半电池，在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率为78.3%，电池循环20圈后，平均库伦效率为99.25%。
实施例2：将50 mg氧化石墨烯加入100mL去离子水中，超声分散2h后，继续超声并依次缓慢加入3g氢氧化锂，2g一氯乙酸，最后超声3h，使氧化石墨烯羧基化反应完全，得到羧基化氧化石墨烯溶液。将羧基化氧化石墨烯溶液在20℃下进行真空干燥。将8g聚偏氟乙烯、0.4g聚丙烯酸、1g聚乙二醇、0.008g去离子水、25gN-甲基吡咯烷酮、25g二甲基亚砜和1.2g羧基化氧化石墨烯在锥形瓶中混合均匀，在70℃下熟化24h、在70℃条件下搅拌36h，并在常温下静置脱泡8h得到铸膜液。将铸膜液倒在玻璃板上刮制成湿膜。湿膜在空气中预蒸发10min后，迅速放入凝固浴中30min，初步置换溶剂，凝固浴为含25%N-甲基吡咯烷酮、25%二甲基亚砜的去离子水混合溶液。经初步置换后的膜在去离子水中浸泡10天，形成初成膜。初成膜置于硝酸锂浓度为1mol/L的去离子水溶液中经过90℃加热活化1h后，置于无水乙醇中浸泡8-24h，取出放入正丁醇中浸泡24h，在空气中晾干得到锂硫电池功能隔膜。该隔膜分解电压为4.8V，隔膜表面平均孔径为629nm，隔膜孔隙率为83%。采用硫粉作为正极，锂片为负极组装成半电池，在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率为72.1%，电池循环20圈后，平均库伦效率为99.03%。
实施例3：将0.5 g氧化石墨烯加入100mL去离子水中，超声分散3h后，继续超声并依次缓慢加入10g氢氧化锂，5g一氯乙酸，最后超声1h，使氧化石墨烯羧基化反应完全，得到羧基化氧化石墨烯溶液。将羧基化氧化石墨烯溶液在30℃下进行真空干燥。将8g聚偏氟乙烯、5g聚甲基丙烯酸甲酯、0.3g聚乙烯吡咯烷酮、1g去离子水、67g二甲基乙酰胺和0.75g羧基化氧化石墨烯在锥形瓶中混合均匀，在70℃下熟化24h、在70℃条件下搅拌24h，并在常温下静置脱泡12h得到铸膜液。将铸膜液倒在玻璃板上刮制成湿膜。湿膜在空气中预蒸发30s后，迅速放入凝固浴中20min，初步置换溶剂，凝固浴为含30%二甲基乙酰胺的去离子水溶液。经初步置换后的膜在去离子水中浸泡1天，形成初成膜。初成膜置于氯化锂浓度为0.5mol/L的去离子水溶液中经过60℃加热活化3h后，置于无水乙醇中浸泡8-24h，取出放入正丁醇中浸泡12h，在空气中晾干得到锂硫电池功能隔膜。该隔膜分解电压为4.8V，隔膜表面平均孔径为362nm，隔膜孔隙率为79%。采用硫粉作为正极，锂片为负极组装成半电池，在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率为74.3%，电池循环20圈后，平均库伦效率为99.38%。

Claims (7)

1.一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：将氧化石墨烯溶解在去离子水中，超声0.5-3h，得到浓度为0.005-0.05g/L的氧化石墨烯溶液，在超声条件下，将氢氧化锂、一氯乙酸按氧化石墨烯：氢氧化锂：一氯乙酸质量比为1：（20-100）：（10-80）的比例加入氧化石墨烯溶液中，超声1-5h，使氧化石墨烯羧基化反应完全，得到羧基化氧化石墨烯溶液；将羧基化氧化石墨烯溶液在20-50℃下进行真空干燥；将聚偏氟乙烯、导锂聚合物、造孔添加剂、去离子水、能溶解聚合物的溶剂、羟基化氧化石墨烯按1：（0.05-1）：（0.1-0.5）：（0.001-0.125）：（6.2-9.75）：（0.001-0.15）的比例混合后，在70℃下熟化24-48h、搅拌12-36h，并在常温下静置脱泡8-48h后得到铸膜液；将铸膜液刮制成湿膜；湿膜在空气中预蒸发后，放入纯水或混合凝固浴1-30min，然后浸泡在去离子水中形成初成膜，所述混合凝固浴的组成为：去离子水与二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯中的一种或多种，去离子水含量为50%-80%；初成膜置于锂盐浓度为0.1-1mol/L的去离子水溶液中经过加热活化，活化的温度为50-90℃，活化时间为0.5-3h，置于无水乙醇中浸泡8-24h，取出，放入正丁醇中浸泡8-24h，在空气中晾干，得到锂硫电池功能隔膜。
2.根据权利要求1所述的一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，其特征在于：所述能溶解聚合物的溶剂为二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、二甲基乙酰胺、磷酸三乙酯中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，其特征在于：所述造孔添加剂为聚乙二醇、氯化锂、聚乙烯吡咯烷酮、硝酸钠中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，其特征在于：所述导锂聚合物为聚丙烯酸锂、磺化聚醚砜、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，其特征在于：所述湿膜在空气中预蒸发时间为5秒-10分钟。
6.根据权利要求1所述的一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，其特征在于：所述浸泡在去离子水中形成初成膜的时间为1-10天。
7.根据权利要求1所述的一种锂硫电池功能隔膜的制备方法，其特征在于：所述锂盐为氯化锂、硝酸锂中的一种或两种。
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