CN107546355B - 一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,包括以下步骤:将自制的低分子量磺化聚醇、水溶性活性单体、酸吸收剂配制成水相溶液,以多元酰氯配制有机相溶液,将锂硫电池商用隔膜在水相中润湿后,随即浸泡在有机相溶液中,在商用隔膜的表面界面聚合一层聚合物层;最终得到界面聚合改性的锂硫电池隔膜。与锂硫电池商业隔膜相比,本发明工艺制备的磺化聚醇通过界面反应聚合到聚合产物中,使得界面聚合层含有羟基和磺酸基官能团,有效增加了改性隔膜的表面亲水性,同时使膜的表面荷上负电荷;界面聚合在商业锂硫电池隔膜表面生成致密的聚合物层,使孔径缩小至2‑200nm,能用有效阻止了穿梭效应的发生。
Description
技术领域
本发明属于锂硫电池材料领域,特别是涉及一种改性锂硫电池隔膜的制备方法。
背景技术
目前锂电池受其理论比容量的限制无法进一步显著提高其能量密度,已远不能满足技术发展的需求;锂硫电池因其具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)、环保性好、原料丰富的优点,目前被认为是最具开发和发展潜力的新型高性能电池之一。锂硫电池隔膜中,目前被广泛使用的是采用熔融拉伸法制备的微孔聚乙烯或聚丙烯膜,主要有聚丙烯微孔膜、聚乙烯微孔膜以及Celgard生产的多层复合隔膜。由于锂硫电池特殊的飞梭效应,传统锂离子电池隔膜很难阻止中间聚硫化物的穿梭,表现出极差的循环性能、降低活性物质利用率、库伦效率。
界面聚合法制备复合膜是利用两种反应活性很高的单体在两个互不相溶的溶剂表面处发生聚合反应,从而在多孔支撑层上形成一层很薄的致密层。将支撑层浸入含有活泼性单体的水溶液中,使其充分浸润,随即排出过量的溶液,并将此膜浸入含有另一种活泼单体的有机相中。两种活泼单体在支撑体表面会互相反应,形成致密的聚合物皮层。由于含单体的两相互不相容,反应仅在界面处发生,因此生成的聚合物层很薄,从而使复合膜渗透性和选择性都大为提高。常用在水相中的活性单体有多元胺、多元醇、多元酚,多元酰氯常用于有机相,反应后分别形成聚酰胺、聚酯或聚氨酯等聚合物皮层。
本发明采用界面聚合法通过控制隔膜孔径大小和改性膜表面基团极性,制备具有锂离子选择透过性的功能隔膜,能够有效抑制锂硫电池穿梭效应的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性锂硫电池隔膜的制备方法,采用该方法制备的改性隔膜孔径小且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,本发明的技术方案具体包括以下步骤:
磺化聚醇的制备:将低分子量聚醇溶于蒸馏水中,并加热使之溶解,形成聚醇类溶液;然后将聚醇类溶液置于冰水混合物的水浴中,不断搅拌冷却,并逐滴加入过量质量分数为98%的浓硫酸,形成含酸混合物溶液;将含酸混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌一定时间,将无水乙醇倒入含酸混合物溶液中,直到混合物溶液的pH值达到5-7,此时有白色沉淀物产生;将生成的白色沉淀物放在烘箱中50℃烘干24h,得到磺化聚醇;
水相和有机相溶液的配制:按质量比(磺化聚醇:水溶性活性单体:酸吸收剂:表面改性剂:去离子水=(1.5-4):(1.5-4):(2-4):0.05:100)称取磺化聚醇和水溶性活性单体室温下溶解于去离子水中,并加入酸吸收剂、表面改性剂,形成含有活性单体的水相;按质量百分比(多元酰氯:有机溶剂=(3-5):100)称取多元酰氯溶解于有机溶剂中,形成含有活性单体的有机相;
界面聚合:取合适尺寸的锂硫电池专用隔膜表面用酒精擦拭干净后置于含有活性单体的水相中5-15min,形成湿膜;将湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应,最终制备出一种改性锂硫电池专用隔膜。
所述低分子量聚醇类为聚乙烯醇,聚丙烯醇,聚戊烯醇,聚己烯醇中的一种或多种;低分子量聚醇类分子量范围为:1700-20000。
所述混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌一定时间为:3-10h。
所述水溶性活性单体为多元胺、多元酚。
所述多元胺为二乙烯三胺,三乙烯四胺,三亚乙基二胺,二苯基甲烷二胺,二亚乙基三胺,聚乙烯亚胺,邻苯二胺,对苯二胺,间苯二胺,哌嗪中的一种或多种。
所述多元酚为双酚、四氯双酚、四溴双酚、四甲基双酚中的一种或多种。
所述酸吸收剂为三乙胺,碳酸钠,氢氧化钠中的一种或多种。
所述表面改性剂为聚乙二醇,羧甲基纤维素醚丙烯酸酯,磺化木质素,水解聚丙烯酰胺亲水性表面改性剂中的一种或多种。
所述的多元酰氯为均苯三甲酰氯,多元磺酰氯,间苯二甲酰氯、邻苯二甲酰氯和对苯二甲酰氯中的一种或多种。
所述有机溶剂为二氯甲烷,三氯甲烷,四氯化碳,苯,甲苯,二甲苯,戊烷,环已烷中的一种或多种。
所述湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应时间为5s-10min。
所述锂硫电池专用隔膜为聚烯烃多孔膜,聚偏氟乙烯多孔膜,聚酰亚胺多孔膜。
与现有商业锂硫电池隔膜相比,本发明具有以下优点:
1、本发明工艺制备的磺化聚醇通过界面反应聚合到聚合产物中,使得界面聚合层含有羟基和磺酸基官能团,有效增加了改性隔膜的表面亲水性,同时使膜的表面带负电荷,能够有效阻止中间多硫化物的穿梭效应;
2、界面聚合在商业锂硫电池隔膜表面生成致密的聚合物层,使孔径缩小至2-200nm,能用有效减少活性物质的损失,提高锂硫电池的循环性能;
3、针对商业锂硫电池隔膜表面具有很强的疏水性,为了有利于在商业锂硫电池界面聚合反应时隔膜表面聚酰胺的生成,通过在水相溶液中加入表面亲水性物质,使疏水性的隔膜表面在水相中吸附更多的水相单体。
附图说明
附图1为本发明制备的一种改性锂硫电池专用隔膜表面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。
将自制的低分子量磺化聚醇类和无水哌嗪配制成水相溶液,多元酰氯和有机溶剂配制有机相溶液,将锂硫电池商用隔膜在水相中润湿后,随即浸泡在有机相溶液中,在商用隔膜的表面界面聚合一层聚合物层。
实施例1:将2.0g聚乙烯醇(分子量为1800)溶于50ml蒸馏水中,并加热使之溶解,形成聚乙烯醇溶液;然后将聚乙烯醇溶液置于冰水混合物的水浴中搅拌冷却,并加入过量质量分数为98%的浓硫酸,形成混合物溶液;将混合物溶液在30℃水浴加热搅拌3h,将无水乙醇倒入混合物溶液中,直到混合物溶液的pH达到6,此时有白色沉淀物产生;将生成的白色沉淀物放在烘箱中50℃烘干24h,得到磺化聚乙烯醇。称取1.5g的磺化聚乙烯醇和1.5g无水哌嗪室温下溶解于100ml去离子水中,并加入2.0g无水碳酸钠和0.5g表面改性剂聚乙二醇,形成含有活性单体的水相;称取3.0g均苯三甲酰氯溶解于100ml的二甲苯中,形成含有活性单体的有机相;取合适尺寸的锂硫电池专用聚烯烃多孔膜用酒精擦拭干净后置于含有活性单体的水相中5min,形成湿膜;将湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应2min,最终得到界面聚合改性的锂硫电池隔膜。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43%。采用硫粉作为正极,锂片为负极组装成半电池,在0.5C的倍率下平均每圈容量衰减率为0.25%,循环100圈后比容量为780mAh/g,平均库伦效率为99.25%。
实施例2:将2.0g聚丙烯醇(分子量:20000)溶于50ml蒸馏水中,并加热使之溶解,形成聚丙烯醇溶液;然后将聚丙烯醇溶液置于冰水混合物的水浴中搅拌冷却,并逐滴加入过量质量分数为98%的浓硫酸,形成混合物溶液;将混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌5h,将无水乙醇倒入混合物溶液中,直到混合物溶液的pH达到5,此时有白色沉淀物产生;将生成的白色沉淀物放在烘箱中50℃烘干24h,得到磺化聚丙烯醇;称取4.0g的磺化聚丙烯醇和4.0g四甲基双酚室温下溶解于100ml去离子水中,并加入酸吸收剂氢氧化钠4.0g和1.0g表面改性剂羧甲基纤维素醚丙烯酸酯,形成含有活性单体的水相;称取5.0g间苯二甲酰氯溶解于100ml的正己烷中,形成含有活性单体的有机相;取合适尺寸的锂硫电池聚酰亚胺多孔隔膜用酒精擦拭干净后置于含有活性单体的水相中15min,形成湿膜;将湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应10s,最终得到界面聚合改性的锂硫电池隔膜。该隔膜分解电压为4.8V,隔膜表面平均孔径为29nm,隔膜孔隙率为50%。采用硫粉作为正极,锂片为负极组装成半电池,在0.5C的倍率下平均每圈容量衰减率为0.27%,循环100圈后比容量为750mAh/g,平均库伦效率为99.03%。
实施例3:将2.0g聚己烯醇(分子量:1800)溶于50ml蒸馏水中,并加热使之溶解,形成聚己烯醇溶液;然后将聚己烯醇溶液置于冰水混合物的水浴中搅拌冷却,并逐滴加入过量质量分数为98%的浓硫酸,形成混合物溶液;将混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌10h,将无水乙醇倒入混合物溶液中,直到混合物溶液的pH达到7,此时有白色沉淀物产生;将生成的白色沉淀物放在烘箱中50℃烘干24h,得到磺化聚己烯醇;水相和有机相溶液的配制:称取3g的磺化聚己烯醇和3.0g无水哌嗪室温下溶解于100ml去离子水中,并加入酸吸收剂3.0g氢氧化钠和1.0g表面改性剂水解聚丙烯酰胺,形成含有活性单体的水相;称取4.0g邻苯二甲酰氯溶解于100ml的正己烷中,形成含有活性单体的有机相;取合适尺寸的锂硫电池聚烯烃多孔隔膜用酒精擦拭干净后置于含有活性单体的水相中15min,形成湿膜;将湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应10min,最终得到界面聚合改性的锂硫电池隔膜。该隔膜分解电压为4.8V,隔膜表面平均孔径为62nm,隔膜孔隙率为45%。采用硫粉作为正极,锂片为负极组装成半电池,在0.5C的倍率下平均每圈容量衰减率为0.23%,循环100圈后比容量为790mAh/g,平均库伦效率为99.38%。
实施例4:将2.0g聚丙烯醇(分子量:10000)溶于50ml蒸馏水中,并加热使之溶解,形成聚丙烯醇溶液;然后将聚丙烯醇溶液置于冰水混合物的水浴中搅拌冷却,并逐滴加入过量质量分数为98%的浓硫酸,形成混合物溶液;将混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌5h,将无水乙醇倒入混合物溶液中,直到混合物溶液的pH达到5,此时有白色沉淀物产生;将生成的白色沉淀物放在烘箱中50℃烘干24h,得到磺化聚丙烯醇;称取2.0g的磺化聚丙烯醇和2.0g三亚乙基二胺室温下溶解于100ml去离子水中,并加入酸吸收剂三乙胺2.0g和1.0g表面改性剂羧甲基纤维素醚丙烯酸酯,形成含有活性单体的水相;称取4.5g间苯二甲酰氯溶解于100ml的正己烷中,形成含有活性单体的有机相;取合适尺寸的锂硫电池聚酰亚胺多孔隔膜用酒精擦拭干净后置于含有活性单体的水相中15min,形成湿膜;将湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应10min,最终得到界面聚合改性的锂硫电池隔膜。该隔膜分解电压为4.7V,隔膜表面平均孔径为32nm,隔膜孔隙率为52%。采用硫粉作为正极,锂片为负极组装成半电池,在0.5C的倍率下平均每圈容量衰减率为0.29%,循环100圈后比容量为730mAh/g,平均库伦效率为99.15%。
实施例5:将2.0g聚丙烯醇(分子量:20000)溶于50ml蒸馏水中,并加热使之溶解,形成聚丙烯醇溶液;然后将聚丙烯醇溶液置于冰水混合物的水浴中搅拌冷却,并逐滴加入过量质量分数为98%的浓硫酸,形成混合物溶液;将混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌5h,将无水乙醇倒入混合物溶液中,直到混合物溶液的pH达到5,此时有白色沉淀物产生;将生成的白色沉淀物放在烘箱中50℃烘干24h,得到磺化聚丙烯醇;称取4.0g的磺化聚丙烯醇和4.0g四氯双酚室温下溶解于100ml去离子水中,并加入酸吸收剂碳酸钠4.0g和1.0g表面改性剂羧甲基纤维素醚丙烯酸酯,形成含有活性单体的水相;称取5.0g间苯二甲酰氯溶解于100ml的四氯化碳中,形成含有活性单体的有机相;取合适尺寸的锂硫电池聚酰亚胺多孔隔膜用酒精擦拭干净后置于含有活性单体的水相中15min,形成湿膜;将湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应5min,最终得到界面聚合改性的锂硫电池隔膜。该隔膜分解电压为4.9V,隔膜表面平均孔径为45nm,隔膜孔隙率为47%。采用硫粉作为正极,锂片为负极组装成半电池,在0.5C的倍率下平均每圈容量衰减率为0.25%,循环100圈后比容量为774mAh/g,平均库伦效率为99.43%。
Claims (7)
1.一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
①磺化聚醇的制备:将低分子量聚醇类溶于蒸馏水中,并加热使之溶解,形成聚醇类溶液;然后将聚醇类溶液置于冰水混合物的水浴中,不断搅拌冷却,并逐滴加入过量质量分数为98%的浓硫酸,形成含酸混合物溶液;将含酸混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌一定时间,将无水乙醇倒入含酸混合物溶液中,直到混合物溶液的pH值达到5-7,此时有白色沉淀物产生;将生成的白色沉淀物放在烘箱中50℃烘干24h,得到磺化聚醇;其中所述低分子量聚醇类为聚乙烯醇,聚丙烯醇,聚戊烯醇,聚己烯醇中的一种或多种;低分子量聚醇类分子量范围为:1700-20000;
②水相和有机相溶液的配制:按质量比称取磺化聚醇和水溶性活性单体室温下溶解于去离子水中,并加入酸吸收剂、表面改性剂,形成含有活性单体的水相;其中所述质量比为:磺化聚醇:水溶性活性单体:酸吸收剂:表面改性剂:去离子水=1.5-4:1.5-4:2-4:0.05:100;按质量比为多元酰氯:有机溶剂=3-5:100称取多元酰氯,并溶解于有机溶剂中,形成含有活性单体的有机相;其中所述水溶性活性单体为多元胺、多元酚;所述多元胺为二乙烯三胺,三乙烯四胺,三亚乙基二胺,二苯基甲烷二胺,二亚乙基三胺,聚乙烯亚胺,邻苯二胺,对苯二胺,间苯二胺,哌嗪中的一种或多种;所述多元酚为双酚、四氯双酚、四溴双酚、四甲基双酚中的一种或多种;其中所述表面改性剂为聚乙二醇,羧甲基纤维素醚丙烯酸酯,磺化木质素,水解聚丙烯酰胺亲水性表面改性剂中的一种或多种;
③界面聚合:取合适尺寸的锂硫电池专用隔膜表面用酒精擦拭干净后置于含有活性单体的水相中5-15min,形成湿膜;将湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应,最终制备出一种改性锂硫电池专用隔膜。
2.根据权利要求1所述的一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,其特征在于:所述混合物溶液在30-50℃水浴加热搅拌一定时间为:3-10h。
3.根据权利要求1所述的一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,其特征在于:所述酸吸收剂为三乙胺,碳酸钠,氢氧化钠中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,其特征在于:所述的多元酰氯为均苯三甲酰氯,多元磺酰氯,间苯二甲酰氯、邻苯二甲酰氯和对苯二甲酰氯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,其特征在于:所述有机溶剂为二氯甲烷,三氯甲烷,四氯化碳,苯,甲苯,二甲苯,戊烷,环已烷中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,其特征在于:所述湿膜浸入含有活性单体的有机相中进行界面聚合反应时间为5s-10min。
7.根据权利要求1所述的一种改性锂硫电池专用隔膜的制备方法,其特征在于:所述锂硫电池专用隔膜为聚烯烃多孔膜,聚偏氟乙烯多孔膜,聚酰亚胺多孔膜。
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