CN110048060A - 氧化石墨烯负载柱五芳烃锂硫电池隔膜、制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化石墨烯负载柱五芳烃锂硫电池隔膜、制备方法及其应用，通过将胺基化柱五芳烃负载到氧化石墨烯溶液上形成胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液，将其与一定量的乙醇溶液混合，通过抽滤将混合溶液在锂硫电池隔膜Celgard 2400上抽干，最后真空干燥后得到所述材料。该隔膜材料有较好的电化学优势，且能有效的阻止多硫化物流向锂硫电池负极。
Description
技术领域
本发明属于化学电池领域，涉及锂硫电池隔膜材料技术，特别涉及一种氧化石墨烯负载柱五芳烃锂硫电池隔膜、制备方法及其应用。
背景技术
出现于20世纪90年代的锂离子二次电池是目前世界上公认的新一代化学电源，已成功商品化并在便携式设备领域中飞速发展。但在电动汽车、航空航天和国防装备等领域，目前商品化锂离子二次电池受限于能量密度，已远不能满足技术发展的需求。因此，需要急切研究开发具有更高能量密度、更长循环寿命、低成本和环境友好等特征的新型化学电源。
其中以金属锂为负极，单质硫为正极材料的锂硫二次电池（简称锂硫电池），其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1672 mAh·g-1和2600 Wh/kg，目前锂硫电池的实际能量密度已达到390 Wh/kg，远高于其他LiFeO4、LiMn2O4等商业化的电极材料。
锂硫电池在放电过程中，单质硫被还原为S2-的过程中会有多个中间态生成，其中Li2Sn (4 ≤ n ≤ 8)易溶于有机电解液，从正极向负极扩散，随着放电的进行，最终在负极生成Li2S沉积下来，而Li2S不溶于有机电解液，造成现有锂硫电池具有成本高，循环稳定性差、库仑效率低等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、设备要求简单、循环稳定性较好的锂硫电池隔膜材料—氧化石墨烯负载柱五芳烃复合材料，用于代替常见的锂硫电池隔膜，从而提高锂硫电池的电化学性能。
实现本发明目的的技术方案是：一种氧化石墨烯@胺基化柱五芳烃隔膜材料及其制备方法，通过将胺基化柱五芳烃（AP[5]A）负载到氧化石墨烯溶液上形成胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液，将其与一定量的乙醇溶液混合，通过抽滤将混合溶液在锂硫电池隔膜Celgard 2400上抽干，最后真空干燥后得到所述的氧化石墨烯负载柱五芳烃隔膜材料（（AP[5]A@GO））。
进一步的，将胺基化柱五芳烃与氧化石墨烯溶液混合后充分反应形成胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液。
进一步的，以质量比计，氧化石墨烯：胺基化柱五芳烃＝1：1-1：3(m:m)。
进一步的，以体积比计，胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液：乙醇溶液=1:3-1：9（v:v）。
进一步的，胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液的浓度为 0.05~1 mg/mL。
进一步的，真空干燥是在50~60 ℃下干燥6-12小时。
上述方法制备的氧化石墨烯负载胺基化柱五芳烃隔膜材料作为锂硫电池正极材料的应用。
与现有技术相比，本发明的优点是：（1）制备方法简单，操作简便；（2）制备的AP[5]A@GO隔膜材料有较好的电化学优势，并且AP[5]A@GO在常规Celgard 2400上层状分明；（3）制备的AP[5]A@GO隔膜材料能有效的阻止多硫化物流向锂硫电池负极，因此可以达到提高电池的库伦效率与循环稳定性的效果。
附图说明
图1 为本发明实施案例1制备AP[5]A@GO隔膜材料的扫描电镜图。
图2 为本发明实施案例1制备AP[5]A@GO隔膜材料厚度的扫描电镜图。
图3为本发明实施案例1制备的AP[5]A@GO隔膜材料的红外光谱图。
图4为本发明实施案例1制备的AP[5]A@GO隔膜材料的电池倍率循环图。
图5为本发明实施案例1制备的AP[5]A@GO隔膜材料的电池1C长循环图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行详细地说明。
实施例1
1）制备AP[5]A@GO与乙醇溶液的混合溶液：
取10 mg AP[5]A与10 mL（浓度为1 mg/mL）的氧化石墨烯（GO）混合反应1小时，使AP[5]A与GO充分反应，然后将混合溶液稀释至0.2 mg/mL取1 mL上述混合溶液与3 mL乙醇溶液混合，使其混合均匀备用。
2）制备AP[5]A@GO隔膜材料：
将步骤1）制得的AP[5]A@GO（1 mL）和乙醇（3 mL）的混合溶液通过抽滤装置使其在常规的锂硫电池隔膜Celgard 2400上抽干，然后将其放入真空干燥箱中50 ℃烘干12小时，得到AP[5]A@GO隔膜材料，将其在裁隔膜的机器上裁成常用隔膜的形状。
3)制备锂硫电池正极材料：
称取硫单质（70 mg），导电剂炭黑（20mg）放在研钵中研磨均匀后，加入粘结剂0.5 mL（20 mg/mL），混合均匀后，涂布在碳纸上，放在真空干燥箱里干燥；干燥后，用裁片机裁片，称量每片的质量并做记录，然后在手套箱里组装电池，进一步测量其性能。
实施例2
1）制备AP[5]A@GO与乙醇溶液的混合溶液：
取10 mg AP[5]A与20 mL（浓度为1 mg/mL）的氧化石墨烯（GO）混合反应2小时，使AP[5]A与GO充分反应，然后将混合溶液稀释至0.2 mg/mL取2 mL上述混合溶液与10 mL乙醇溶液混合，使其混合均匀备用。
2）制备AP[5]A@GO隔膜材料：
将步骤1）制得的AP[5]A@GO（2 mL）和乙醇（10 mL）的混合溶液通过抽滤装置使其在常规的锂硫电池隔膜Celgard 2400上抽干，然后将其放入真空干燥箱中50 ℃烘干12小时，得到AP[5]A@GO隔膜材料，将其在裁隔膜的机器上裁成常用隔膜的形状。
3)制备锂硫电池正极材料：
称取硫单质（70 mg），导电剂炭黑（20 mg）放在研钵中研磨均匀后，加入粘结剂0.5 mL（20 mg/mL），混合均匀后，涂布在碳纸上，放在真空干燥箱里干燥；干燥后，用裁片机裁片，称量每片的质量并做记录，然后在手套箱里组装电池，进一步测量其性能。
实施例3
2）制备AP[5]A@GO与乙醇溶液的混合溶液：
取10 mg AP[5]A与30 mL（浓度为1 mg/mL）的氧化石墨烯（GO）混合反应2小时，使AP[5]A与GO充分反应，然后将混合溶液稀释至0.2 mg/mL取4 mL上述混合溶液与15 mL乙醇溶液混合，使其混合均匀备用。
2）制备AP[5]A@GO隔膜材料：
将步骤1）制得的AP[5]A@GO（4 mL）和乙醇（15 mL）的混合溶液通过抽滤装置使其在常规的锂硫电池隔膜Celgard 2400上抽干，然后将其放入真空干燥箱中50 ℃烘干12小时，得到AP[5]A@GO隔膜材料，将其在裁隔膜的机器上裁成常用隔膜的形状。
3)制备锂硫电池正极材料：
称取硫单质（70 mg），导电剂炭黑（20 mg）放在研钵中研磨均匀后，加入粘结剂0.5 mL（20 mg/mL），混合均匀后，涂布在碳纸上，放在真空干燥箱里干燥；干燥后，用裁片机裁片，称量每片的质量并做记录，然后在手套箱里组装电池，进一步测量其性能。
图1 为采用本发明制备AP[5]A@GO隔膜材料的扫描电镜图，GO表面光滑，且厚度均一。
图2为本发明制备GO@ AP[5]A隔膜材料的厚度扫描电镜图，该材料在PP膜上面的厚度为 10 μm。
图3为采用本发明制备的GO、AP[5]A、AP[5]A@GO隔膜材料的红外图， 可以看出AP[5]A负载到了GO上。
图4为采用本发明制备的AP[5]A@GO复合隔膜材料代替常规隔膜材料的循环倍率图，在0.1 C倍率下其比容量为1100 mAhg-1，即使在5C大倍率下也还有400 mAhg-1，显示了其良好的倍率性能。
图5为采用本发明制备的AP[5]A@GO隔膜材料代替常规隔膜材料的长循环图，从图中可以明显看到在1C下，其初始容量在1200 mAhg-1左右，循环200圈后其容量还在828mAhg-1左右，显示了AP[5]A@GO隔膜材料代替常规隔膜材料时优异的稳定性能。
Claims (8)
1.一种氧化石墨烯@胺基化柱五芳烃隔膜材料的制备方法，其特征在于，通过将胺基化柱五芳烃负载到氧化石墨烯溶液上形成胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液，将其与一定量的乙醇溶液混合，通过抽滤将混合溶液在锂硫电池隔膜Celgard 2400上抽干，最后真空干燥后得到所述的氧化石墨烯负载柱五芳烃隔膜材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将胺基化柱五芳烃与氧化石墨烯溶液混合后充分反应形成胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以质量比计，氧化石墨烯：胺基化柱五芳烃＝1：1-1：3。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以体积比计，胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液：乙醇溶液=1:3-1：9。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，胺基化柱五芳烃负载氧化石墨烯溶液的浓度为 0.05~1 mg/mL。
6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，真空干燥是在50~60 ℃下干燥6-12小时。
7.如权利要求1-6任一所述的方法制备的氧化石墨烯负载胺基化柱五芳烃隔膜材料。
8.如权利要求1-6任一所述的方法制备的氧化石墨烯负载胺基化柱五芳烃隔膜材料作为锂硫电池正极材料的应用。
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