CN111525073A - 锂硫电池用功能性隔膜及其制备方法 - Google Patents

锂硫电池用功能性隔膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂硫电池用功能性隔膜及其制备方法，制备方法包括：将第一浆料涂覆在所述基膜的正极侧，干燥，在所述基膜上形成第一涂层，再在所述第一涂层上涂覆第二浆料，干燥，在所述第一涂层上得到第二涂层，其中，所述第一浆料由溶剂、分散剂、碳类导体和粘结剂组成，所述第二浆料由有机聚合物、造孔剂和水组成，所述有机聚合物为水溶性酚醛树脂。本发明通过在聚烯烃隔膜表面引入功能层，一方面，防止多硫化物的生成，避免产生穿梭效应；另一方面，可以提高隔膜的离子电导率、提高了隔膜的锂离子迁移数，有利于减轻电池极化，从而提高电池的倍率性能。

Description

锂硫电池用功能性隔膜及其制备方法
技术领域
本发明属于锂硫电池隔膜技术领域，具体来说涉及一种锂硫电池用功能性隔膜及其制备方法。
背景技术
传统锂电池正极材料受限于200-250Wh.kg-1的能量密度，远不能满足电动汽车及大型储能设备等产业对电池的能量密度的要求。早在20世纪60年底，单质硫就被提出可用于锂离子电池正极材料，随后开始了锂硫电池的研究。锂-硫电池体系的理论比能量以及理论能量密度可以达到2600Wh.kg-1和2800Wh.L-1。此外，锂硫电池因其原料丰富易得、成本低等特点也推动了市场的快速增长。但锂硫电池目前扔存在电池的循环寿命短、倍率性能低及安全稳定性能差的问题，这些问题与电池隔膜的特性密切相关。
正极硫在放电过程中会从环状的S8转化为线性结构的多硫化锂(Li2Sx，x＝8、6、4和2)。在Li2S8、Li2S6、Li2S4和Li2S2多硫化锂中，具有高的硫氧化数的多硫化锂(Li2Sx，通常x>4)特别容易溶解在亲水性电解液中。由于浓度差，溶解在电解液中的多硫化锂从正极向远处扩散即产生“穿梭效应”。“穿梭效应”降低了硫的利用率、比容量和循环性能。同时，多硫化物扩散至负极，与锂负极发生反应，引起电池自放电，并且反应生产固态绝缘的Li2S和Li2S2，引起锂负极表面恶化和活性物质的不可逆损失。
动力锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜及壳体组成。隔膜在电池中起着阻隔正负极电子电导,允许液离子自由通过从而实现离子传导的重要作用,是电池、循环能力和安全性能的重要决定因素。传统聚烯烃锂电池隔膜的孔结构不能有效阻挡多硫化锂的穿梭，造成电池循环性能的下降，此外，传统隔膜的疏水性、低极性、低表面能等不足导致隔膜吸液率低、保液性差、离子电导率低，影响电池性能。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂硫电池用功能性隔膜的制备方法，该制备方法能够解决传统电池隔膜无法抑制穿梭效应的缺陷以及提高隔膜离子电导率及倍率性能。
本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的锂硫电池用功能性隔膜。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
一种锂硫电池用功能性隔膜的制备方法，包括：将第一浆料涂覆在所述基膜的正极侧，干燥，在所述基膜上形成第一涂层，再在所述第一涂层上涂覆第二浆料，干燥，在所述第一涂层上得到第二涂层，其中，
所述第一浆料由溶剂、分散剂、碳类导体和粘结剂组成，所述第二浆料由有机聚合物、造孔剂和水组成，所述有机聚合物为水溶性酚醛树脂。
在上述技术方案中，所述溶剂为水和酒精的混合物，按质量份数计，所述溶剂中水和酒精的比为(1～20)：1。
在上述技术方案中，所述分散剂为聚丙烯酸铵盐、三甲铵盐酸盐和聚乙二醇中的一种或多种的混合物。
在上述技术方案中，所述碳类导体为石墨烯、Super-p或炭黑。
在上述技术方案中，所述粘结剂为PVDF(聚偏氟乙烯)或聚丙烯酸酯类。
在上述技术方案中，所述造孔剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇。
在上述技术方案中，所述基膜为聚乙烯膜或聚丙烯膜。
在上述技术方案中，所述第一浆料中碳类导体和粘结剂的质量分数和为1～25wt％，按质量份数计，所述碳类导体和粘结剂的比为(10～90)：(0.5～5)，所述分散剂为所述溶剂的5wt％。
在上述技术方案中，所述有机聚合物和造孔剂的比为(10～65)：1，所述第二浆料中有机聚合物和造孔剂的质量分数和为3～20wt％。
在上述技术方案中，制备所述第一浆料的方法为：在所述溶剂中加入分散剂，搅拌均匀，再加入碳类导体和粘结剂的混合物，搅拌均匀，砂磨，得到所述第一浆料。
在上述技术方案中，制备所述第二浆料的方法为：将所述有机聚合物和造孔剂加入水中，搅拌均匀，得到所述第二浆料。
在上述技术方案中，所述搅拌的时间为10～60min。
在上述技术方案中，所述砂磨的时间为20～60min。
在上述技术方案中，所述干燥的时间为20～60s，所述干燥的温度为30～90℃。
上述制备方法获得的锂硫电池用功能性隔膜。
在上述技术方案中，所述第一涂层的厚度为1～8μm，所述第二涂层的厚度为1～8μm。
本发明通过在聚烯烃隔膜表面引入功能层，一方面，防止多硫化物的生成，避免产生穿梭效应；另一方面，可以提高隔膜的离子电导率、提高了隔膜的锂离子迁移数，有利于减轻电池极化，从而提高电池的倍率性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
所用搅拌机为双行星动力混合机，型号：HY-DLH43L，生产厂家：广州红尚机械科技有限公司
所用砂磨设备为全陶瓷纳米研磨机，型号：PT-5L，生产厂家为东莞市品诺机械设备有限公司
实施例1
一种锂硫电池用功能性隔膜的制备方法，包括：将第一浆料涂覆在基膜的正极侧，70℃干燥0.5min，在基膜上形成厚度为2μm的第一涂层，再在第一涂层上涂覆第二浆料，70℃干燥0.5min，在第一涂层上得到厚度为2μm的第二涂层，其中，基膜为聚乙烯膜。
第一浆料由溶剂、分散剂、碳类导体和粘结剂组成，制备第一浆料的方法为：在溶剂中加入分散剂，在搅拌机中搅拌20min至均匀，再加入碳类导体和粘结剂的混合物，在搅拌机中搅拌20min至均匀，在砂磨机中砂磨20min，得到第一浆料，其中，溶剂为水和酒精的混合物，按质量份数计，溶剂中水和酒精的比为3：1。分散剂为聚丙烯酸铵盐。碳类导体为炭黑。粘结剂为PVDF(聚偏氟乙烯)。第一浆料中碳类导体和粘结剂的质量分数和为7wt％，按质量份数计，碳类导体和粘结剂的比为12：0.6，分散剂为溶剂的5wt％。
第二浆料由有机聚合物、造孔剂和水组成，制备第二浆料的方法为：将有机聚合物和造孔剂加入水中，在搅拌机中搅拌20min至均匀，得到第二浆料，有机聚合物为水溶性酚醛树脂。造孔剂为聚乙烯吡咯烷酮。有机聚合物和造孔剂的比为10：1，第二浆料中有机聚合物和造孔剂的质量分数和为4wt％。
碳类导体可对硫离子形成还原位点，预防多硫化物的生成；水溶性酚醛树脂中的醛基可以促进锂盐的解离，增加“自由”离子的数目，有利于提高隔膜的离子电导率，从而提高电池的倍率性能。
实施例2
一种锂硫电池用功能性隔膜的制备方法，包括：将第一浆料涂覆在基膜的正极侧，70℃干燥0.6min，在基膜上形成厚度为2.5μm的第一涂层，再在第一涂层上涂覆第二浆料，70℃干燥0.6min，在第一涂层上得到厚度为2μm的第二涂层，其中，基膜为聚乙烯膜。
第一浆料由溶剂、分散剂、碳类导体和粘结剂组成，制备第一浆料的方法为：在溶剂中加入分散剂，在搅拌机中搅拌30min至均匀，再加入碳类导体和粘结剂的混合物，在搅拌机中搅拌30min至均匀，在砂磨机中砂磨36min，得到第一浆料，其中，溶剂为水和酒精的混合物，按质量份数计，溶剂中水和酒精的比为9：1。分散剂为三甲铵盐酸盐。碳类导体为石墨烯。粘结剂为聚丙烯酸甲酯。第一浆料中碳类导体和粘结剂的质量分数和为10wt％，按质量份数计，碳类导体和粘结剂的比为30：2.5，分散剂为溶剂的5wt％。
第二浆料由有机聚合物、造孔剂和水组成，制备第二浆料的方法为：将有机聚合物和造孔剂加入水中，在搅拌机中搅拌20min至均匀，得到第二浆料，有机聚合物为水溶性酚醛树脂。造孔剂为聚乙二醇。有机聚合物和造孔剂的比为33：1，第二浆料中有机聚合物和造孔剂的质量分数和为10wt％。
实施例3
一种锂硫电池用功能性隔膜的制备方法，包括：将第一浆料涂覆在基膜的正极侧，70℃干燥0.7min，在基膜上形成厚度为3μm的第一涂层，再在第一涂层上涂覆第二浆料，70℃干燥0.7min，在第一涂层上得到厚度为2μm的第二涂层，其中，基膜为聚丙烯膜。
第一浆料由溶剂、分散剂、碳类导体和粘结剂组成，制备第一浆料的方法为：在溶剂中加入分散剂，在搅拌机中搅拌40min至均匀，再加入碳类导体和粘结剂的混合物，在搅拌机中搅拌40min至均匀，在砂磨机中砂磨40min，得到第一浆料，其中，溶剂为水和酒精的混合物，按质量份数计，溶剂中水和酒精的比为15：1。分散剂为聚乙二醇。碳类导体为Super-p。粘结剂为聚丙烯酸乙酯。第一浆料中碳类导体和粘结剂的质量分数和为15wt％，按质量份数计，碳类导体和粘结剂的比为10：3，分散剂为溶剂的5wt％。
第二浆料由有机聚合物、造孔剂和水组成，制备第二浆料的方法为：将有机聚合物和造孔剂加入水中，在搅拌机中搅拌20min至均匀，得到第二浆料，有机聚合物为水溶性酚醛树脂。造孔剂为聚乙二醇。有机聚合物和造孔剂的比为57：1，第二浆料中有机聚合物和造孔剂的质量分数和为17wt％。
对实施例1～3所得锂硫电池用功能性隔膜进行测试：
实施例1所得锂硫电池用功能性隔膜的分解电压为4.7V，120℃下1小时热缩率为0.7％，抗拉伸强度1650Kg/cm2，吸液率300％，离子电导率：1.3×10-3s/cm-1。采用硫正极，锂为负极，组装成电池，在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率为98％，电池循环20圈后，平均库伦效率为99.43％。
实施例2所得锂硫电池用功能性隔膜的分解电压为4.7V，120℃下1小时热缩率为0.9％，抗拉伸强度1590Kg/cm2，吸液率257％，离子电导率：1.5×10-3s/cm-1。采用硫正极，锂为负极，组装成电池，在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率为98％，电池循环20圈后，平均库伦效率为98.48％。
实施例3所得锂硫电池用功能性隔膜的分解电压为4.7V，120℃下1小时热缩率为0.9％，抗拉伸强度1550Kg/cm2，吸液率284％，离子电导率：1.6×10-3s/cm-1。采用硫正极，锂为负极，组装成电池，在0.5C的倍率下循环100圈后容量保持率为97％，电池循环20圈后，平均库伦效率为97.57％。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂硫电池用功能性隔膜的制备方法，其特征在于，包括：将第一浆料涂覆在所述基膜的正极侧，干燥，在所述基膜上形成第一涂层，再在所述第一涂层上涂覆第二浆料，干燥，在所述第一涂层上得到第二涂层，其中，
所述第一浆料由溶剂、分散剂、碳类导体和粘结剂组成，所述第二浆料由有机聚合物、造孔剂和水组成，所述有机聚合物为水溶性酚醛树脂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为水和酒精的混合物，按质量份数计，所述溶剂中水和酒精的比为(1～20)：1；
所述分散剂为聚丙烯酸铵盐、三甲铵盐酸盐和聚乙二醇中的一种或多种的混合物；
所述碳类导体为石墨烯、Super-p或炭黑；
所述粘结剂为聚偏氟乙烯或聚丙烯酸酯类；
所述造孔剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述基膜为聚乙烯膜或聚丙烯膜。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一浆料中碳类导体和粘结剂的质量分数和为1～25wt％，按质量份数计，所述碳类导体和粘结剂的比为(10～90)：(0.5～5)，所述分散剂为所述溶剂的5wt％。
5.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述有机聚合物和造孔剂的比为(10～65)：1，所述第二浆料中有机聚合物和造孔剂的质量分数和为3～20wt％。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备所述第一浆料的方法为：在所述溶剂中加入分散剂，搅拌均匀，再加入碳类导体和粘结剂的混合物，搅拌均匀，砂磨，得到所述第一浆料。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，制备所述第二浆料的方法为：将所述有机聚合物和造孔剂加入水中，搅拌均匀，得到所述第二浆料。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述搅拌的时间为10～60min；所述砂磨的时间为20～60min；
所述干燥的时间为20～60s，所述干燥的温度为30～90℃。
9.如权利要求1～8中任意一项所述制备方法获得的锂硫电池用功能性隔膜。
10.根据权利要求9所述的锂硫电池用功能性隔膜，其特征在于，所述第一涂层的厚度为1～8μm，所述第二涂层的厚度为1～8μm。
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