CN109244340A - 一种锂硫电池功能性隔膜涂层材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料化学领域，涉及一种锂硫电池功能性隔膜及其制备方法。本发明提供的功能性隔膜涂层材料包括有锐钛矿TiO2和还原氧化石墨烯，其中还原氧化石墨烯为多孔形貌，锐钛矿TiO2均匀的分布在多孔还原氧化石墨烯框架上，该涂层材料使隔膜具有锂离子选择性透过性的功能，均匀的分布在还原氧化石墨烯框架上的锐钛矿，能够促进了TiO2和S之间的相互作用，从而改善了多硫化物在TiO2上的表面吸附，最终成功减轻多硫化物溶解度的作用，并且多孔的还原氧化石墨烯为锂离子提供迁移通道。

Description

一种锂硫电池功能性隔膜涂层材料及其制备方法
技术领域
本发明的技术方案涉及一种锂硫电池功能性隔膜的制备方法，属于材料化学领域。
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。锂离子电池作为目前常用的储能装置，受自身储存容量的限制，仍难以满足未来动力电池对储能电池高比容量和高能量密度的要求。因此，研究开发高性能的锂离子电池显得尤为重要。
锂硫电池因其具有高理论比容量(1675mAh·g-1)和理论比能量(2600Wh·Kg-1),而且硫单质具备环境污染小、无毒、成本低、原料来源广泛等特点，受到越来越多的关注。但是锂硫电池也存在诸多问题，例如，多硫化物的“穿梭效应”会消耗活性物质,影响电池稳定性。因此只有抑制多硫化物的“穿梭效应”同时促进多硫化物的转化来提升锂硫电池的电化学和动力学性能，才能实现锂硫电池的商业化。
隔膜是锂硫电池中的一个重要组成部分，用于分离正极和负极，以避免内部短路，同时有助于自由锂离子在电极之间运输。锂硫电池隔膜通常为聚丙烯/聚乙烯（PP/PE）等非极性薄膜，然而，锂硫电池在放电过程中产生的多硫化物具有高极性特征，并且极易溶于电解液，所以锂硫电池隔膜很难抑制多硫化物扩散，进而使多硫化物在正极和负极之间穿梭，导致正极含硫结构的不可逆破坏，最终导致锂硫电池的循环稳定性差，实际比容量低，倍率特性差等一系列问题。
通过改性隔膜提高锂硫电池的性能是目前锂硫电池隔膜研究的热点，有文献报道了一种简单的石墨烯涂层，通过在普通聚丙烯（PP）隔膜上涂覆一层石墨烯，能够在一定程度上抑制穿梭效应，提高电池的循环圈数与负载；但是，由于石墨烯的功能化程度单一，仅靠物理结构无法完全抑制多硫化物的穿梭，同时，由于单一涂层的导热性较差，隔膜局部容易产生、热量集中，形成“热点”，锂硫电池安全性能仍存在一定隐患。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。
发明内容
针对目前锂硫电池隔膜无法抑制多硫化物穿梭效应的缺陷，本发明的目的在于提供一种锂硫电池功能性隔膜涂层材料及其制备方法，采用该方法制备的电池隔膜涂层材料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。
本发明提供的功能性隔膜涂层材料包括有锐钛矿TiO2和还原氧化石墨烯，其中还原氧化石墨烯为多孔形貌，锐钛矿TiO2均匀的分布在多孔还原氧化石墨烯框架上。
本发明提供了上述锂硫电池功能性隔膜涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将工业生产的2 mg/ml的氧化石墨烯(GO)在细胞粉碎机中超声1小时，再于5000~8000r/min转速下离心0.5小时，取上层的氧化石墨烯分散液；
（2）将泡沫镍切成截面为2cm*2cm的小块，浸入到2~6mg/ml的氧化石墨烯溶液中，超声20~30分钟，所述2~6mg/ml的氧化石墨烯溶液通过步骤（1）得到的氧化石墨烯分散液稀释获得；
（3）将步骤（2）中浸泡后的块状产物1转移到6~10mg/ml的抗坏血酸钠溶液中，静置12小时后在恒温烘干箱中60℃保温2小时，冷却到室温后，用去离子水冲洗；
（4）将步骤（3）中得到的块状产物2浸入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，浸泡10~20分钟，取出后抽真空2小时，然后用纸吸去表面多余的PDMS后放在无尘纸上，每隔30分钟翻转一次；
（5）将步骤（4）得到的块状产物3放在80℃恒温干燥箱中烘干12小时，然后浸润到浓盐酸中，溶液颜色一旦变绿就更换浓盐酸，直至溶液能够保持无色为止，然后取出固体产物用去离子水浸泡12~24小时，最后烘干；
（6）取1~3g浓盐酸在磁力搅拌的情况下逐滴加入2~3g钛酸四丁酯中，然后加入4.0g的无水乙醇，继续搅拌1~2小时，再将步骤（5）得到的固体产物加入其中，静置24小时，得到二氧化钛/还原氧化石墨烯产物，最后在10Mpa下压成膜后，在氮气气氛中于450℃下保温2小时，其升温速率为5℃/min, 即得到所述用于锂硫电池隔膜涂层的复合材料。
本发明取得的有益效果如下：
1、本发明工艺制备的锂硫电池隔膜涂层材料能够显著提高电池的容量保持率和库伦效率，应用本发明制备的锂硫电池功能隔膜涂层材料的电池在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率在80%以上，电池循环稳定后，库伦效率在99%以上，首次充放电达到1470mAh·g-1，在不同倍率下循环性能仍是良好，再次在0.1C下循环仍能达到1200 mAh·g-1。
2、本发明采用二氧化钛/还原氧化石墨烯作为隔膜涂层材料使隔膜具有锂离子选择性透过性的功能，均匀的分布在还原氧化石墨烯框架上的锐钛矿，能够促进了TiO2和S之间的相互作用，这是一种静电吸引（S-Ti-O），它改善了多硫化物在TiO2上的表面吸附，该涂层起到成功减轻多硫化物溶解度的作用，并且多孔的还原氧化石墨烯为锂离子提供迁移通道。
3、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为实施例1所得二氧化钛/还原氧化石墨烯复合材料微观形貌的SEM图。
图2为将实施例1所得二氧化钛/还原氧化石墨烯复合材料作为隔膜的电池在不同倍率的循环性能。
图3为将实施例1所得二氧化钛/还原氧化石墨烯复合材料作为隔膜的电池首次充放电的循环图。
具体实施方式
实施例1
步骤（1）：将工业生产的2 mg/ml的氧化石墨烯(GO)在细胞粉碎机中超声1小时，再通过在6000r/min在离心0.5小时，取上层的氧化石墨烯分散液。
步骤（2）：将泡沫镍切成截面888为2*2cm的小块，浸入到步骤（1）得到的氧化石墨烯中，超声30分钟。
步骤（3）:取步骤（2）中得到的块状产物1转移到10mg/ml的抗坏血酸钠溶液中，静置12小时后在恒温烘干箱中60℃保温2小时，冷却到室温后，用去离子水冲洗。
步骤（4）:将步骤（3）中得到的块状产物2浸入PDMS中，浸15分钟，取出后抽真空2小时，然后用纸吸去表面多余的PDMS后放在无尘纸上，每隔30分钟翻转一次。
步骤（5）：将步骤（4）得到的块状产物3放在80℃恒温干燥箱中烘干12小时，然后浸润到浓盐酸中，溶液颜色一旦变绿就更换浓盐酸，直至溶液能保持无色为止，然后取出固体产物用去离子水浸泡24小时，最后烘干。
步骤（6）:取2.4g浓盐酸在磁力搅拌的情况下逐滴加入2.84g钛酸四丁酯中，然后加入4.0g的无水乙醇，继续搅拌1.5小时，再将步骤（5）得到的固体产物加入其中，静置24小时，得到二氧化钛/还原氧化石墨烯产物，最后在10Mpa下压成膜后，在氮气气氛中于450℃下保温2小时，升温速率为5℃/min, 即为所述用于锂硫电池隔膜涂层的复合材料。
使用场发射扫描显微镜对该复合材料进行结构扫描，可以看到多孔的还原氧化石墨烯框架，如图1所示，锐钛矿TiO2则均匀的分布在该框架上。
应用本实施例制备的锂硫电池功能隔膜涂层材料的电池在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率在80%以上，电池循环稳定后，库伦效率在99%以上，首次充放电达到1470mAh·g-1，在不同倍率下循环性能仍是良好，再次在0.1C下循环仍能达到1200 mAh·g-1（如图2和图3所示）。
实施例2
步骤（1）：将工业生产的2 mg/ml的氧化石墨烯(GO)在细胞粉碎机中超声1小时，再通过在6000r/min在离心0.5小时，取上层的氧化石墨烯分散液。
步骤（2）：将泡沫镍切成截面为2*2cm的小块，浸入到步骤（1）得到的氧化石墨烯中，超声30分钟。
步骤（3）:取步骤（2）中得到的块状产物1转移到8mg/ml的抗坏血酸钠溶液中，静置12小时后在恒温烘干箱中60℃保温2小时，冷却到室温后，用去离子水冲洗。
步骤（4）:将步骤（3）中得到的块状产物2浸入PDMS中，浸10分钟，取出后抽真空2小时，然后用纸吸去表面多余的PDMS后放在无尘纸上，每隔30分钟翻转一次。
步骤（5）：将步骤（4）得到的块状产物3放在80℃恒温干燥箱中烘干12小时，然后浸润到浓盐酸中，溶液颜色一旦变绿就更换浓盐酸，直至溶液能保持无色为止，然后取出固体产物用去离子水浸泡12小时，最后烘干。
步骤（6）:取1g浓盐酸在磁力搅拌的情况下逐滴加入2 g钛酸四丁酯中，然后加入4.0g的无水乙醇，继续搅拌2小时，再将步骤（5）得到的固体产物加入其中，静置24小时，得到二氧化钛/还原氧化石墨烯产物，最后在10Mpa下压成膜后，在氮气气氛中于450℃下保温2小时，升温速率为5℃/min, 即为所述用于锂硫电池隔膜涂层的复合材料。
实施例3
步骤（1）：将工业生产的2 mg/ml的氧化石墨烯(GO)在细胞粉碎机中超声1小时，再通过在6000r/min在离心0.5小时，取上层的氧化石墨烯分散液。
步骤（2）：将泡沫镍切成截面为2*2cm的小块，浸入到步骤（1）得到的氧化石墨烯中，超声30分钟。
步骤（3）:取步骤（2）中得到的块状产物1转移到6mg/ml的抗坏血酸钠溶液中，静置12小时后在恒温烘干箱中60℃保温2小时，冷却到室温后，用去离子水冲洗。
步骤（4）:将步骤（3）中得到的块状产物2浸入PDMS中，浸20分钟，取出后抽真空2小时，然后用纸吸去表面多余的PDMS后放在无尘纸上，每隔30分钟翻转一次。
步骤（5）：将步骤（4）得到的块状产物3放在80℃恒温干燥箱中烘干12小时，然后浸润到浓盐酸中，溶液颜色一旦变绿就更换浓盐酸，直至溶液能保持无色为止，然后取出固体产物用去离子水浸泡12小时，最后烘干。
步骤（6）:取3g浓盐酸在磁力搅拌的情况下逐滴加入3g钛酸四丁酯中，然后加入4.0g的无水乙醇，继续搅拌1小时，再将步骤（5）得到的固体产物加入其中，静置24小时，得到二氧化钛/还原氧化石墨烯产物，最后在10Mpa下压成膜后，在氮气气氛中于450℃下保温2小时，升温速率为5℃/min, 即为所述用于锂硫电池隔膜涂层的复合材料。

Claims (6)

1.一种锂硫电池功能性隔膜涂层材料，其特征在于，该隔膜涂层材料包括有锐钛矿TiO2和还原氧化石墨烯，其中还原氧化石墨烯为多孔形貌，锐钛矿TiO2均匀的分布在多孔还原氧化石墨烯框架上。
2.如权利要求1所述的锂硫电池功能性隔膜涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将工业生产的2 mg/ml的氧化石墨烯(GO)在细胞粉碎机中超声1小时，再于5000~8000r/min转速下离心0.5小时，取上层的氧化石墨烯分散液；
（2）将泡沫镍切成截面为2cm*2cm的小块，浸入到2~6mg/ml的氧化石墨烯溶液中，超声20~30分钟，所述2~6mg/ml的氧化石墨烯溶液通过步骤（1）得到的氧化石墨烯分散液稀释获得；
（3）将步骤（2）中浸泡后的块状产物1转移到抗坏血酸钠溶液中，静置12小时后在恒温烘干箱中60℃保温2小时，冷却到室温后，用去离子水冲洗；
（4）将步骤（3）中得到的块状产物2浸泡于聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，然后取出后抽真空2小时，然后用纸吸去表面多余的PDMS后放在无尘纸上，每隔30分钟翻转一次；
（5）将步骤（4）得到的块状产物3放在80℃恒温干燥箱中烘干12小时，然后浸润到浓盐酸中，溶液颜色一旦变绿就更换浓盐酸，直至溶液能够保持无色为止，然后取出固体产物用去离子水浸泡，最后烘干；
（6）取浓盐酸在磁力搅拌的情况下逐滴加入钛酸四丁酯中，然后加入4.0g的无水乙醇，继续搅拌，再将步骤（5）得到的固体产物加入其中，静置24小时，得到二氧化钛/还原氧化石墨烯产物，最后在10Mpa下压成膜后，在氮气气氛中于450℃下保温2小时，其升温速率为5℃/min, 即得到所述用于锂硫电池隔膜涂层的复合材料。
3.根据权利要求2所述的锂硫电池功能性隔膜涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中抗坏血酸钠溶液浓度为6~10mg/ml。
4.根据权利要求2所述的锂硫电池功能性隔膜涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中的浸泡时间为10~20min。
5.根据权利要求2所述的锂硫电池功能性隔膜涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（5）中去离子水的浸泡时间为12~24h。
6.根据权利要求2所述的锂硫电池功能性隔膜涂层材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤（6）中浓盐酸用量为1~3g，钛酸四丁酯用量为2~3g，搅拌时间为1~2小时。
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