CN114005989A - 锂硫电池用多孔载体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂硫电池用多孔载体的制备方法，包括：将氮化硼和尿素混匀后进行球磨，得到的产物配置成溶液A；将溶液A加入到碳纳米管或石墨烯溶液中，超声分散得到溶液B；对溶液B进行抽滤得到凝胶，向凝胶中加入去离子水并超声分散得到粘性水凝胶；将粘性水凝胶涂布于基底上，冷冻干燥，即得到锂硫电池用多孔载体。本发明还公开了一种锂硫电池用多孔载体。本发明提供的方法所制备的锂硫电池用多孔载体能够建立高导热通道，同时能够抑制锂枝晶生长和多硫化物穿梭效应；并且该多孔载体具有阻燃特性，能够阻止电池由于热失控带来的电池燃烧甚至是爆炸。

Description

锂硫电池用多孔载体及其制备方法
技术领域
本发明是关于材料领域，特别是关于一种锂硫电池用多孔载体及其制备方法。
背景技术
随着社会的不断发展和便携式大功率电子设备的迅速普及，电池过度使用导致热失控所带来的安全问题越来越严重。锂枝晶生长是导致锂电池热失控的一个因素，锂枝晶生长会导致热场不均匀，以及产生短路问题，导致瞬态热的产生和释放。这些安全问题在比容量高的锂硫电池中尤为突出。因为在高电流密度下，锂枝晶容易出现，从而形成不均匀的热场，导致局部温度过高，并且隔膜容易被枝晶刺穿而导致电池短路。此外，由绝缘硫带来的严重的电极极化，以及多硫化物穿梭深化了锂负极的电极极化共同增加了电池内阻，再加上缺乏顺畅的导热通道，导致电池内部额外的热量积累。这些安全问题严重制约了锂硫电池的商业化发展。
因此，针对现有技术的中的问题有必要提供一种锂硫电池用多孔载体及其制备方法。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂硫电池用多孔载体及其制备方法，该锂硫电池用多孔载体能够抑制锂枝晶生长和多硫化物穿梭。
为实现上述目的，本发明供的技术方案如下：
一种锂硫电池用多孔载体的制备方法，包括以下步骤：
S1：将氮化硼和尿素混匀后进行球磨，得到的产物配置成溶液A；
S2：将溶液A加入到碳纳米管或石墨烯溶液中，超声分散得到溶液B；
S3：对溶液B进行抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入去离子水并超声分散得到粘性水凝胶；
S4：将所述粘性水凝胶涂布于基底上，冷冻干燥，即得到锂硫电池用多孔载体。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述氮化硼和尿素的质量比为1:(15～30)。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述氮化硼和尿素的质量比为1:20。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述溶液A的浓度为2～3mg/mL。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述溶液A的浓度为2.5mg/mL。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤S1具体包括：
将氮化硼和尿素混匀后置于行星式球磨机中，以400rpm的转速球磨24h，球磨结束后将得到的产物配置成溶液A。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤S3具体包括：
采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对溶液B进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入去离子水并超声分散得到粘性水凝胶。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述步骤S4具体包括：
将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥20h以上，即得到锂硫电池用多孔载体。
本发明还提供了一种锂硫电池用多孔载体，所述锂硫电池用多孔载体由前述的方法制得。
与现有技术相比，本发明提供的方法所制备的锂硫电池用多孔载体能够建立高导热通道，同时能够抑制锂枝晶生长和多硫化物穿梭效应；并且该多孔载体具有阻燃特性，能够阻止电池由于热失控带来的电池燃烧甚至是爆炸。
附图说明
图1是本发明实施例1所制得的锂硫电池用多孔载体的扫描电镜图；
图2是本发明各实施例和对比例所制得的锂硫电池用多孔载体的导电性能测试图；
图3是本发明各实施例和对比例所制得的锂硫电池用多孔载体的导热性能测试图；
图4是正负极包覆有本发明实施例1所制得的锂硫电池用多孔载体的锂硫电池的电化学性能测试图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
需要说明的是，以下的说明中，表示量的“％”和“份”只要无特别说明，则为重量基准。除非另外指明，否则本说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应该理解为在所有情况下均是由术语“约”来修饰的。因此，除非有相反的说明，否则上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均是近似值，本领域的技术人员能够利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性，适当改变这些近似值。用端点表示的数值范围的使用包括该范围内的所有数字以及该范围内的任何范围，例如，1至5包括1、1.2、1.4、1.55、2、2.75、3、3.80、4和5等等。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素；术语“优选”指的是较优的选择方案，但不只限于所选方案。
本发明实施方式提供的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其包括以下步骤：
S1：将氮化硼和尿素混匀后进行球磨，得到的产物配置成溶液A；
S2：将溶液A加入到碳纳米管或石墨烯溶液中，超声分散得到溶液B；
S3：对溶液B进行抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入去离子水并超声分散得到粘性水凝胶；
S4：将所述粘性水凝胶涂布于基底上，冷冻干燥，即得到锂硫电池用多孔载体。
一示例性的实施方式中，步骤S1具体包括：将氮化硼和尿素混匀后置于行星式球磨机中，以400rpm的转速球磨24h，球磨结束后将得到的产物配置成溶液A。
一示例性的实施方式中，步骤S3具体包括：采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对溶液B进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入去离子水并超声分散得到粘性水凝胶。
一示例性的实施方式中，步骤S4具体包括：将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥20h以上，即得到锂硫电池用多孔载体。
一示例性的实施方式中，步骤S1中氮化硼和尿素的质量比为1:(15～30)。优选地，氮化硼和尿素的质量比为1:20。
一示例性的实施方式中，溶液A的浓度为2～3mg/mL，优选为为2.5mg/mL。
本发明还提供了一种锂硫电池用多孔载体，该锂硫电池用多孔载体由前述方法制得。
具体地，该锂硫电池用多孔载体中小孔的孔径约为10μm。
该锂硫电池用多孔载体具有独特的蜂窝结构，可作为电池的复合正极和负极，从而提高了电池的安全性。氮化硼具有较高的理论导热系数(2000Wm-1k-1)和较强的抗氧化能力，可在800℃高温下而不分解。碳纳米管具备超高的电导率，并且拥有优异的力学性能和柔韧性。高导热不燃的氮化硼纳米片均匀负载在碳纳米管支架的两侧，结合其独特的三维多孔结构空间构型，能够有效阻止电池热失控带来的电池燃烧甚至爆炸。超快均匀的导电通道保护和诱导锂均匀成核，控制锂枝晶生长，避免造成不均匀的热场和电池短路。该锂硫电池用多孔载体具有大的比表面积，能够有效吸附多硫化物和抑制多硫化物的穿梭，降低电极极化和内阻。
将该锂硫电池用多孔载体包覆于锂硫电池的正负极上，利用其多孔蜂窝结构能够吸附来自锂硫电池正极的硫以及来自锂硫电池负极锂反应而产生的多硫化物，因此能够限制多硫化物的穿梭效应，从而提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。同时，包覆于锂硫电池的负极上的锂硫电池用多孔载体，能够对锂枝晶的生长起到抑制作用。
具体地，可通过涂布的方式使锂硫电池用多孔载体包覆形成于锂硫电池的正负极上。
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明：
实施例1
将1质量份氮化硼粉末和20质量份尿素混匀后置于行星式球磨机中，以400rpm的转速球磨24h，球磨结束后将得到的产物(f-BNNSs，改性氮化硼纳米片)配置成浓度为2.5mg/mL的水溶液(溶液A)。
将溶液A加入到碳纳米管水溶液中，其中，f-BNNSs与碳纳米管的质量比为2:3，超声分散直至得到均匀的溶液B。
采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对溶液B进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入适量的去离子水，并超声分散得到均匀的粘性水凝胶。
再将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥24h，得到锂硫电池用多孔载体(f-BNNSs质量百分比为40％)。
实施例2
将1质量份氮化硼粉末和20质量份尿素混匀后置于行星式球磨机中，以400rpm的转速球磨24h，球磨结束后将得到的产物(f-BNNSs，改性氮化硼纳米片)配置成浓度为2.5mg/mL的水溶液(溶液A)。
将溶液A加入到碳纳米管水溶液中，其中，f-BNNSs与碳纳米管的质量比为3:2，超声分散直至得到均匀的溶液B。
采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对溶液B进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入适量的去离子水，并超声分散得到均匀的粘性水凝胶。
再将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥24h，得到锂硫电池用多孔载体(f-BNNSs质量百分比为60％)。
实施例3
将1质量份氮化硼粉末和20质量份尿素混匀后置于行星式球磨机中，以400rpm的转速球磨24h，球磨结束后将得到的产物(f-BNNSs，改性氮化硼纳米片)配置成浓度为2.5mg/mL的水溶液(溶液A)。
将溶液A加入到碳纳米管水溶液中，其中，f-BNNSs与碳纳米管的质量比为4:1，超声分散直至得到均匀的溶液B。
采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对溶液B进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入适量的去离子水，并超声分散得到均匀的粘性水凝胶。
再将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥24h，得到锂硫电池用多孔载体(f-BNNSs质量百分比为80％)。
对比例1
配置碳纳米管水溶液，超声分散直至得到澄清溶液。
采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对前述澄清溶液进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入适量的去离子水，并超声分散得到均匀的粘性水凝胶。
再将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥24h，得到锂硫电池用多孔载体(不含f-BNNSs)。
对比例2
将1质量份氮化硼粉末和20质量份尿素混匀后置于行星式球磨机中，以400rpm的转速球磨24h，球磨结束后将得到的产物(f-BNNSs，改性氮化硼纳米片)配置成浓度为2.5mg/mL的水溶液(溶液A)。
对溶液A进行超声分散直至得到澄清溶液。
采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对前述澄清溶液进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入适量的去离子水，并超声分散得到均匀的粘性水凝胶。
再将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥24h，得到锂硫电池用多孔载体(f-BNNSs质量百分比为100％)。
图1为实施例1所制得的锂硫电池用多孔载体的扫描电镜图；图中多孔载体的孔径约为10μm。
图2各实施例和对比例所制得的锂硫电池用多孔载体的导电性能测试图；可以看出，锂硫电池用多孔载体的导电性能随着f-BNNSs含量的增加而下降。
图3各实施例和对比例所制得的锂硫电池用多孔载体的导热性能测试图；可以看出，锂硫电池用多孔载体的导热性能随着f-BNNSs含量的增加而增加。
图4为正负极包覆有实施例1所制得的锂硫电池用多孔载体的锂硫电池在60℃时，电流密度为2C，循环300圈后的电化学性能测试图；可以看出，电池能够安全，稳定的工作，并能有效保持其电化学性能。
综上所述，本发明提供的方法所制备的锂硫电池用多孔载体能够建立高导热通道，同时能够抑制锂枝晶生长和多硫化物穿梭效应，并且该多孔载体的阻燃特性能够阻止电池由于热失控带来的电池燃烧甚至是爆炸。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将氮化硼和尿素混匀后进行球磨，得到的产物配置成溶液A；
S2：将溶液A加入到碳纳米管或石墨烯溶液中，超声分散得到溶液B；
S3：对溶液B进行抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入去离子水并超声分散得到粘性水凝胶；
S4：将所述粘性水凝胶涂布于基底上，冷冻干燥，即得到锂硫电池用多孔载体。
2.如权利要求1所述的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，所述氮化硼和尿素的质量比为1:(15～30)。
3.如权利要求2所述的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，所述氮化硼和尿素的质量比为1:20。
4.如权利要求1所述的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，所述溶液A的浓度为2～3mg/mL。
5.如权利要求4所述的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，所述溶液A的浓度为2.5mg/mL。
6.如权利要求1所述的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
将氮化硼和尿素混匀后置于行星式球磨机中，以400rpm的转速球磨24h，球磨结束后将得到的产物配置成溶液A。
7.如权利要求1所述的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
采用孔径为0.45μm的PTFE过滤膜对溶液B进行真空抽滤得到凝胶，向所述凝胶中加入去离子水并超声分散得到粘性水凝胶。
8.如权利要求1所述的锂硫电池用多孔载体的制备方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
将所述粘性水凝胶以刮涂的的方式涂布于基底上，然后用液氮处理形成冰晶，冷冻干燥20h以上，即得到锂硫电池用多孔载体。
9.一种锂硫电池用多孔载体，其特征在于，所述锂硫电池用多孔载体由权利要求1～8中任一项所述的方法制得。
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