鋰硫電池用覆碳隔膜的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋰硫電池技術領域，特別是涉及一種鋰硫電池用覆碳隔膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]在鋰硫電池體系中，以金屬鋰為負極，單質硫為正極，理論比能量可達到2600Wh/kg，遠大于現代商業化的鋰離子電池。此外單質硫也具有價格低廉，環境友好的特性。因此，鋰硫電池具有極高的商業應用潛力。但是鋰硫電池也存在著諸多的問題。其中最主要的是鋰硫電池在充放電的過程當中，硫的利用率低，循環過程中容量衰減快，導致這一問題的原因包括多個方面，其中之一是單質硫為絕緣體，硫電極中活性物質活化難度大。而且，單質硫在放電過程中，產生大量的中間產物，即多硫化物。多硫化物會溶解于電解液當中，并離開原來的位置，隨著單質硫的最終還原產物的析出，形成大量的大顆粒，降低了還原產物氧化的可逆性。此外，多硫化物會擴散到負極金屬鋰的表面，與金屬鋰發生還原反應，并返回正極，再發生氧化反應，即“穿梭效應”。該效應不但降低鋰硫電池的庫倫效率，腐蝕金屬鋰負極，而且會在金屬鋰表面生成大量絕緣的還原產物，導致電池的內阻增加。最終降低了鋰硫電池的放電比容量和循環壽命。
[0003]為提高鋰硫電池的放電比容量和循環壽命，目前公開了在鋰硫電池正負極之間放置獨立的碳膜夾層，即將碳材料和PTFE粘結劑混合并輥壓成膜，或者使用碳纖維布等材料，形成獨立的具有自支撐能力的碳膜，該碳膜不僅制備工藝復雜，且厚度大，重量高，電池裝配過程難度大，降低了鋰硫電池的性能和應用潛力。
【發明內容】
[0004]本發明為解決公知技術中存在的技術問題而提供一種工藝簡單、厚度薄、重量輕，電池裝配過程方便，能夠有效提升鋰硫電池性能的鋰硫電池用覆碳隔膜的制備方法。
[0005]本發明包括如下技術方案:
[0006]鋰硫電池用覆碳隔膜的制備方法，其特點是:包括以下制作步驟:
[0007]步驟1:按照碳材料的質量含量為50?99%的配比，將碳材料和粘結劑混合成漿料；
[0008]步驟2:通過噴涂、刮刀涂覆、涂布輥或涂布刷方式之一種，在隔膜一面涂覆步驟I制成的漿料，漿料的厚度I?100微米；
[0009]步驟3:將步驟2涂覆有漿料的隔膜烘干，隔膜一面附著一層碳膜，即完成鋰硫電池用覆碳隔膜的制作過程。
[0010]本發明還可以采用如下技術措施:
[0011]所述碳材料包括活性炭、石墨烯、碳納米管、科琴黑、Super-p、乙炔黑、石墨之一種或一種以上的混合物。
[0012]所述粘結劑包括用溶劑將溶質溶解成的溶液。
[0013]所述溶質為PVDF、PEO、PVDF-HFP, LA、PTFE之一種或一種以上的混合物。
[0014]所述溶劑為NMP、水、乙醇、異丙醇、DMF中的一種或一種以上的混合物。
[0015]所述隔膜為聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚丙烯-甲基丙烯酸甲酯材料之一種構成的單層隔膜或一種以上材料構成的多層隔膜。
[0016]所述多層隔I旲包括聚丙纟布_聚乙纟布_聚丙火布。
[0017]本發明具有的優點和積極效果:
[0018]1、本發明通過將碳材料涂覆在隔膜的一面，使得碳膜與隔膜成為一體，不僅簡化了碳膜的制作工藝，大幅減小了碳膜的厚度，而且碳膜厚度均勻，提升了鋰硫電池的性能，降低了電池的制作成本。
[0019]2、本發明制備的碳膜具有高孔隙率的特點，可以大量吸儲電解液，有利于硫和多硫化物的溶解，從而保證了正極電極反應的發生，進一步提升了鋰硫電池的性能。
【附圖說明】
[0020]圖1是采用本發明制作的覆碳隔膜結構示意圖；
[0021]圖2是采用圖1中覆碳隔膜制成的一種鋰硫電池結構示意圖；
[0022]圖3是在圖1覆碳隔膜中的碳膜表面覆一層隔膜后制成的鋰硫電池結構示意圖；
[0023]圖4是采用實施例1制出的覆碳隔膜制成圖2所示結構電池的充放電測試循環性能曲線圖；
[0024]圖5是采用實施例2制出的覆碳隔膜制成圖2所示結構電池的充放電測試循環性能曲線圖；
[0025]圖6是采用實施例2制出的覆碳隔膜制成圖3所示結構電池充放電測試循環性能曲線圖。
[0026]圖中，1-金屬鋰負極，2-隔膜，3-碳膜，4-硫正極材料，5-正極集流體。
【具體實施方式】
[0027]為能進一步公開本發明的
【發明內容】
、特點及功效，特例舉以下實例詳細說明如下。
[0028]鋰硫電池用覆碳隔膜的制備方法，其特點是:包括以下制作步驟:
[0029]步驟1:按照碳材料的質量含量為50?99%的配比，將碳材料和粘結劑混合成漿料；
[0030]步驟2:通過噴涂、刮刀涂覆、涂布輥或涂布刷方式之一種，在隔膜一面涂覆步驟I制成的漿料，漿料的厚度I?100微米；
[0031]步驟3:將步驟2涂覆有漿料的隔膜烘干，隔膜一面附著一層碳膜，即完成鋰硫電池用覆碳隔膜的制作過程。
[0032]所述碳材料包括活性炭、石墨烯、碳納米管、科琴黑、Super-P、乙炔黑、石墨之一種或一種以上的混合物。
[0033]所述粘結劑包括用溶劑將溶質溶解成的溶液。
[0034]所述溶質為PVDF、PEO、PVDF-HFP, LA、PTFE之一種或一種以上的混合物。
[0035]所述溶劑為NMP、水、乙醇、異丙醇、DMF中的一種或一種以上的混合物。
[0036]所述隔膜為聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物或聚丙烯-甲基丙烯酸甲酯材料之一種構成的單層隔膜或一種以上材料構成的多層隔膜。
[0037]所述多層隔I旲包括聚丙纟布_聚乙纟布_聚丙火布。
[0038]實施例1:
[0039]步驟1:用NMP溶劑將PVDF溶質溶解為固含量6 %的溶液作為PVDF粘結劑；將質量比為3:2，比表面積為2100m2/g的活性炭和PVDF粘結劑混合成漿料；
[0040]步驟2:選用40微米厚的PE-PP-PE作為隔膜2，用刮刀將步驟I制出的漿料涂覆在隔膜一面；通過刮刀上的出料槽，將隔膜上漿料的厚度控制至0.1mm ；
[0041]步驟3:將步驟2涂覆有漿料的隔膜置于真空干燥箱內，加熱至45°C后，進行24h真空干燥，隔膜一面附著一層碳膜3，自然冷卻至室溫后取出，完成本發明如圖1所示鋰硫電池用覆碳隔膜的制作過程。
[0042]采用實施例1制出的覆碳隔膜制作CR2430型扣式電池
[0043]1、選用質量比為8:1:1的S、SP、LA混合物作為正極材料，將正極材料和水球磨混合成正極漿料，正極漿料的固質量含量為25%;選用20微米厚的鋁箔作為正極集流體5 ;用刮刀將正極漿料涂覆在正極集流體一面，通過刮刀上的出料槽控制正極集流體上正極漿料的厚度至0.17mm ;將涂覆有正極漿料涂的鋁箔置入真空干燥箱內，加熱至45°C后，進行24h真空干燥，正極集流體一面附著一層硫正極材料4,作為硫正極片；
[0044]2、如圖2所示，將硫正極片上的硫正極與實施例1制出的鋰硫電池用覆碳隔膜上的碳膜貼在一起；依次將硫正極片、覆碳隔膜和金屬鋰負極I制成一體置入CR2430型扣式電池用電池殼中，電池殼內注入電解液，電解液為lmol/L LiTFSI的DOL-DME溶液(D0L和DME的體積比為1:1)，裝配成CR2430型扣式鋰硫電池。
[0045]對裝配成的CR2430型扣式電池進行充放電測試，得出如圖4所示的充放電測試結果:硫材料最大放電比容量超過1000mAh/g，且在20次循環后，放電比容量基本穩定在7