WO2018184236A1 - 一种锂硫电池复合隔膜 - Google Patents

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    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/40Separators; Membranes; Diaphragms; Spacing elements inside cells
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    • H01M50/431Inorganic material
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the field of lithium sulfur batteries, and in particular to a lithium sulfur battery separator.
  • a lithium-sulfur battery is a battery system in which lithium metal is used as a negative electrode and elemental sulfur is a positive electrode.
  • Lithium-sulfur batteries have two discharge platforms (approximately 2.4 V and 2.1 V), but their electrochemical reaction mechanisms are complex. Lithium-sulfur batteries have the advantages of high specific energy (2600 Wh/kg), high specific capacity (1675 mAh/g), and low cost, and are considered to be promising new generation batteries.
  • the highly polylithium polysulfide Li 2 S n (8 >n>4) generated during the electrode reaction is easily soluble in the electrolyte, forming a concentration difference between the positive and negative electrodes, under the action of the concentration gradient
  • the highly polylithium polysulfide is reduced by lithium metal to oligomeric lithium polysulfide.
  • the oligomeric lithium polysulfide aggregates at the negative electrode, eventually forming a concentration difference between the two electrodes, and then migrating to the positive electrode to be oxidized to a highly polylithium polysulfide.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a lithium sulfur battery composite diaphragm, including a commercial Celgard diaphragm.
  • Sheet and its surface MoS 2 / graphene oxide layer the thickness of the sheet MoS 2 layer / graphene oxide layer is 1 ⁇ 10 ⁇ , MoS 2 of the sheet / layer of graphene oxide and MoS 2
  • the mass ratio of graphene oxide is 1: 0.2-1.
  • the present invention provides a method for preparing a lithium-sulfur battery composite separator as follows:
  • the molar ratio of MoS 2 powder to n-butyl lithium in step (1) is 1:5-10, the solubility of n-butyllithium in hexane solution is l-3 mol/L, and the time between stirring is 24 -72 hours.
  • the mass ratio of the graphite oxide to the sheet MoS 2 in the step (2) is 1: 0.2-1, the ultrasonic ratio is 1-5 hours, and the concentration of the graphite oxide and the layer MoS 2 suspension is 0.1-1 mg. /mL, Filtered Celgard membrane is in direct contact with the suspension on top of the filter paper.
  • the present invention has the following advantages: sheet MoS 2 MoS sheet layer / graphene oxide layer 2 can form strong chemical adsorption polysulphide formed during charge and discharge, can effectively prevent wear polysulfides When the diaphragm reaches the negative electrode, the occurrence of the shuttle effect is reduced, and the life of the lithium-sulfur battery is improved.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the structure of a composite separator of the present invention.
  • 1 is a sheet of MoS 2 / graphene oxide layer
  • 2 is a Celgard separator
  • the comparative example uses a Celgard separator as a lithium-sulfur battery separator, and other conditions are the same as described above.
  • FIG. 3 is a cycle life diagram of a composite separator prepared in Example 1 of the present invention assembled into a lithium sulfur battery. It can be seen from the figure that the composite separator prepared by the present invention retains the capacity of 61.5% of the initial capacity after 400 times of charge and discharge, and the comparative example is assembled into a lithium-sulfur battery by Celgard diaphragm, and the capacity is entered into the initial capacity after 200 cycles. 40%, indicating that the composite diaphragm can effectively suppress the shuttle effect and improve the life of the sulfur battery.

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Abstract

一种锂硫电池复合隔膜的制备方法,包括如下几个步骤:步骤(1):将MoS 2粉末加入到正丁基锂的己烷溶液中,搅拌反应,过滤、环己烷洗,水洗,得到片层MoS 2;步骤(2):将氧化石墨和片层MoS 2加入到水中超声分散,形成的悬浮液,再将悬浮液加入到垫有Celgard隔膜和滤纸的抽滤瓶中抽滤,烘干后撕去滤纸及得到锂硫电池复合隔膜。片层MoS 2/氧化石墨烯层中的片层MoS 2能对充放电过程中形成的多硫化物形成强烈的化学吸附,能有效的阻止多硫化物穿过隔膜到达负极,减少飞梭效应的发生,提高锂硫电池的寿命。

Description

发明名称:一种锂硫电池复合隔膜
技术领域
[0001] 本发明涉及锂硫电池领域, 特别涉及一种锂硫电池隔膜。
背景技术
[0002] 锂硫电池是以金属锂为负极, 单质硫为正极的电池体系。 锂硫电池的具有两个 放电平台 (约为 2.4 V和 2.1 V) , 但其电化学反应机理比较复杂。 锂硫电池具有 比能量高 (2600 Wh/kg) 、 比容量高 (1675 mAh/g) 、 成本低等优点, 被认为 是很有发展前景的新一代电池。
技术问题
[0003] 但是目前其存在着活性物质利用率低、 循环寿命低和安全性差等问题, 这严重 制约着锂硫电池的发展。 造成上述问题的主要原因有以下几个方面: (1) 单质 硫是电子和离子绝缘体, 室温电导率低 (5x10 ^s^m ) , 由于没有离子态的硫 存在, 因而作为正极材料活化困难; (2) 在电极反应过程中产生的高聚态多硫 化锂 Li 2S n (8 > n>4) 易溶于电解液中, 在正负极之间形成浓度差, 在浓度梯度 的作用下迁移到负极, 高聚态多硫化锂被金属锂还原成低聚态多硫化锂。 随着 以上反应的进行, 低聚态多硫化锂在负极聚集, 最终在两电极之间形成浓度差 , 又迁移到正极被氧化成高聚态多硫化锂。 这种现象被称为飞梭效应, 降低了 硫活性物质的利用率。 同吋不溶性的 Li 28和 Li 2S 2沉积在锂负极表面, 更进一步 恶化了锂硫电池的性能; (3) 反应最终产物 Li 2S同样是电子绝缘体, 会沉积在 硫电极上, 而锂离子在固态硫化锂中迁移速度慢, 使电化学反应动力学速度变 慢; (4) 硫和最终产物 Li 2S的密度不同, 当硫被锂化后体积膨胀大约 79%, 易 导致 28的粉化, 引起锂硫电池的安全问题。 上述不足制约着锂硫电池的发展 , 这也是目前锂硫电池研究需要解决的重点问题。
问题的解决方案
技术解决方案
[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种锂硫电池复合隔膜, 包括商用 Celgard隔膜 和其表面的片层 MoS 2/氧化石墨烯层组成, 所述的片层 MoS 2/氧化石墨烯层的厚 度为 1〜10μηι, 所述的片层 MoS 2/氧化石墨烯层中 MoS 2与氧化石墨烯的质量比 为 1 : 0.2-1。
[0005] 本发明提供一种锂硫电池复合隔膜的制备方法如下:
[0006] (1) 将 0.3g MoS 2粉末加入到 10ml的 2M正丁基锂的己烷溶液中, 在氮气氛围 中搅拌反应 72小吋, 过滤、 环己烷洗, 水洗, 得到片层 MoS 2
[0007] (2) 将氧化石墨和片层 MoS 2加入到水中超声分散, 形成的悬浮液, 再将悬浮 液加入到垫有 Celgard隔膜和滤纸的抽滤瓶中抽滤, 烘干后撕去滤纸及得到锂硫 电池复合隔膜。
[0008] 步骤 (1) 中 MoS 2粉末与正丁基锂的摩尔比 1:5-10, 正丁基锂的己烷溶液的溶 度为 l-3mol/L, 搅拌反应的吋间为 24-72小吋。
[0009] 步骤 (2) 中氧化石墨和片层 MoS 2的质量比为 1 : 0.2-1, 超声吋间为 1-5小吋, 氧化石墨和片层 MoS 2悬浮液的浓度为 0.1-lmg/mL, 抽滤吋 Celgard隔膜在滤纸的 上面与悬浮液直接接触。
发明的有益效果
有益效果
[0010] 本发明具有如下有益效果: 片层 MoS 2/氧化石墨烯层中的片层 MoS 2能对充放 电过程中形成的多硫化物形成强烈的化学吸附, 能有效的阻止多硫化物穿过隔 膜到达负极, 减少飞梭效应的发生, 提高锂硫电池的寿命。
对附图的简要说明
附图说明
[0011] 图 1是本发明的复合隔膜结构示意图。
[0012] 图 2是本发明的复合隔膜制备流程图。
[0013] 图 3是本发明的复合隔膜的循环寿命图。
[0014] 其中, 1为片层 MoS 2/氧化石墨烯层, 2为 Celgard隔膜。
本发明的实施方式 [0015] 下面结合附图, 对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明:
[0016] 实施例 1
[0017] ( 1) 将 lmol的 MoS 2粉末加入到含有 5mol的正丁基锂浓度为 lmol/L的己烷溶 液中, 在氮气氛围中搅拌反应 24小吋, 过滤、 环己烷洗, 水洗, 得到片层 MoS 2
[0018] (2) 将 10g氧化石墨和 2g片层 MoS 2加入到水中超声分散, 超声吋间为 1小吋, 形成浓度为 O. lmg/mL悬浮液, 再将悬浮液加入到垫有 Celgard隔膜和滤纸的抽滤 瓶中抽滤, 烘干后撕去滤纸及得到锂硫电池复合隔膜。
[0019] 实施例 2
[0020] ( 1) 将 lmol的 MoS 2粉末加入到含有 lOmol的正丁基锂浓度为 3mol/L的己烷溶 液中, 在氮气氛围中搅拌反应 72小吋, 过滤、 环己烷洗, 水洗, 得到片层 MoS 2
[0021] (2) 将 10g氧化石墨和 10g片层 MoS 2 入到水中超声分散, 超声吋间为 5小吋 , 形成浓度为 lmg/mL悬浮液, 再将悬浮液加入到垫有 Celgard隔膜和滤纸的抽滤 瓶中抽滤, 烘干后撕去滤纸及得到锂硫电池复合隔膜。
[0022] 实施例 3
[0023] ( 1) 将 lmol的 MoS 2¾末加入到含有 7mol的正丁基锂浓度为 2mol/L的己烷溶 液中, 在氮气氛围中搅拌反应 48小吋, 过滤、 环己烷洗, 水洗, 得到片层 MoS 2
[0024] (2) 将 10g氧化石墨和 6g片层 MoS 2加入到水中超声分散, 超声吋间为 3小吋, 形成浓度为 0.5mg/mL悬浮液, 再将悬浮液加入到垫有 Celgard隔膜和滤纸的抽滤 瓶中抽滤, 烘干后撕去滤纸及得到锂硫电池复合隔膜。
[0025] 实施例 4
[0026] ( 1) 将 lmol的 MoS 2粉末加入到含有 6mol的正丁基锂浓度为 1.5mol/L的己烷溶 液中, 在氮气氛围中搅拌反应 36小吋, 过滤、 环己烷洗, 水洗, 得到片层 MoS 2
[0027] (2) 将 10g氧化石墨和 4g片层 MoS 2加入到水中超声分散, 超声吋间为 2小吋, 形成浓度为 0.3mg/mL悬浮液, 再将悬浮液加入到垫有 Celgard隔膜和滤纸的抽滤 瓶中抽滤, 烘干后撕去滤纸及得到锂硫电池复合隔膜。
[0028] 实施例 5
[0029] (1) 将 lmol的 MoS 2粉末加入到含有 8mol的正丁基锂浓度为 2.5mol/L的己烷溶 液中, 在氮气氛围中搅拌反应 60小吋, 过滤、 环己烷洗, 水洗, 得到片层 MoS 2
[0030] (2) 将 10g氧化石墨和 8g片层 MoS 2加入到水中超声分散, 超声吋间为 4小吋, 形成浓度为 0.7mg/mL悬浮液, 再将悬浮液加入到垫有 Celgard隔膜和滤纸的抽滤 瓶中抽滤, 烘干后撕去滤纸及得到锂硫电池复合隔膜。
[0031] 锂硫电池的制备及性能测试; 将硫单质材料、 乙炔黑和 PVDF按质量比 70: 20 : 10在 NMP中混合, 涂覆在铝箔上为电极膜, 金属锂片为对电极, 实施例 1制备 的复合隔膜做为隔膜, lmol/L的 LiTFSI/DOL-DME (体积比 1: 1)为电解液, lmol/L 的 LiN0 3为添加剂, 在充满 Ar手套箱内组装成扣式电池, 采用 Land电池测试系 统进行恒流充放电测试。 充放电电压范围为 1-3V, 电流密度为 0.5C。
[0032] 对比例采用 Celgard隔膜为锂硫电池隔膜, 其他的条件与上述相同。
[0033] 图 3是本发明实施例 1制备的复合隔膜组装成锂硫电池的循环寿命图。 从图中可 以看出本发明制备的复合隔膜进行 400次充放电后容量仍保有初始容量的 61.5% 以上, 而对比例采用 Celgard隔膜组装成锂硫电池, 进行 200次循环后容量进为初 始容量的 40%, 说明该复合隔膜能有效抑制飞梭效应, 提高硫电池的寿命。
[0034] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明, 不能认 定本发明的具体实施只局限于这些说明。 对于本发明所属技术领域的普通技术 人员来说, 在不脱离本发明构思的前提下, 还可以做出若干简单推演或替换, 都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种锂硫电池复合隔膜的制备方法, 其特征在于, 包括如下几个步骤 步骤 (1) : 将 MoS 2¾末加入到正丁基锂的己烷溶液中, 搅拌反应, 过滤、 环己烷洗, 水洗, 得到片层 MoS 2;
步骤 (2) : 将氧化石墨和片层 MoS 2加入到水中超声分散, 形成的悬 浮液, 再将悬浮液加入到垫有 Celgard隔膜和滤纸的抽滤瓶中抽滤, 烘干后撕去滤纸及得到锂硫电池复合隔膜。
[权利要求 2] 如权利要求 1所述的制备方法, 其特征在于, 所述步骤 (1) 中 MoS 2 粉末与正丁基锂的摩尔比 1:5-10, 正丁基锂的己烷溶液的溶度为 l-3m ol/L, 搅拌反应的吋间为 24-72小吋。
[权利要求 3] 如权利要求 1所述的制备方法, 其特征在于, 所述步骤 (2) 中氧化石 墨和片层 MoS 2的质量比为 1 : 0.2-1, 超声吋间为 1-5小吋。
[权利要求 4] 如权利要求 1所述的制备方法, 其特征在于, 所述步骤 (2) 中氧化石 墨和片层 MoS 2悬浮液的浓度为 0.1-lmg/mL, 抽滤吋 Celgard隔膜在滤 纸的上面与悬浮液直接接触。
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