微孔聚苯并咪唑膜及改性聚苯并咪唑为隔膜的锂硫电池的制作方法_2

文档序号:8276813阅读:来源:国知局
发,然后在160°C下固化6小时;将固化产物在氮气氛保护下升温至700°C,恒温碳化8小时;碳化产物依次用5wt%浓度的硝酸、去离子水洗涤,再120°C下恒温干燥4小时后,得到纳米磷酸铁锂修饰大孔碳。
[0020]本发明进一步提供了前述锂硫电池的制备方法,包括以下步骤:
[0021](I)将改性聚苯并咪唑复合隔膜在电解液中浸泡24小时;电解液以Li [CF3SO2) 2N](LiTFSI)为溶质,以二氧戊环(C3H6O2)和乙二醇甲醚(C4HltlO2)的混合物为溶剂,二氧戊环与乙二醇甲醚的体积比为1: 1,一升电解液中含一摩尔(263g)Li [CF3SO2)2N]。
[0022](2)将正极置于市贩扣式电池外壳中,正极的电极基材铝膜与电池外壳接触;
[0023](3)将浸泡后的改性聚苯并咪唑复合隔膜置于正极之上;
[0024](4)将直径为18mm、厚0.2mm的锂金属片置于隔膜之上;
[0025](5)在锂金属片上垫上直径为18mm、厚1mm、空隙率为98 %的泡沫镍片后,加密封圈和电池盖后密封,得到扣式锂硫电池。
[0026]本发明实现原理描述:
[0027]微孔聚苯并咪唑及其改性膜具有比传统聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔隔膜具有更高的耐热性。特别是改性聚苯并咪唑复合隔膜大大提高了锂离子电池的大电流放电能力。
[0028]本发明制备的纳米磷酸铁锂修饰大孔碳中,纳米磷酸铁锂存在于大孔孔壁上,将纳米磷酸铁锂修饰大孔碳载硫作为正极材料,为硫嵌锂提供锂传输通道,并同时吸附聚硫化钮,有效抑制了聚硫尚子的穿梭效应,提尚硫电极的寿命。并且,大孔碳材料具有$父尚的导电性,有效提高锂离子电池的高倍率充放电循环寿命。
[0029]本发明中,使用改性聚苯并咪唑复合隔膜提供了必要的离子传导,电池中不存在游离电解液,极大地抑制了聚硫离子传梭效应的发生,有效地提高了锂硫电池的循环稳定性。结合纳米磷酸铁锂修饰含硫大孔碳对聚硫离子的锚定作用,使得本发明的锂硫电池的速度容量和性能稳定性有了极大的提高。
[0030]与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0031]本发明使用微孔聚苯并咪唑及改性聚苯并咪唑复合隔膜的锂硫电池,具有耐温高,安全性好。特别是使用改性聚苯并咪唑复合隔膜的锂硫电池,充放电过程中不发生聚硫离子的迀移,因此具有极好的循环寿命。大孔碳材料的高导电性有效提高了硫电极的导电性,使本发明的锂硫电池具备很好的大电流充放电性能。既可广泛小型电子装置如手机、笔记本电脑,也可用于电动车、无人机、风力发电、太阳能发电、潮汐发电等大型非稳态发电电站,起到电力调节的作用,平衡用电的峰谷电,提高发电效率,降低发电成本。活性物质来源丰富,成本低廉,无污染,易制备。电极材料成本低廉,制备工艺简单、易行,有利于大规模生产,具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0032]图1为实施例十中扣式电池的倍率放电性能,充电电流为0.2C。
[0033]图2为实施例十中扣式电池的5C放电循环稳定性,充电电流也为5C。
[0034]图中的附图标记为:1-1为0.2C容量,1-2为0.5C容量,1-3为IC容量,1-4为2C容量,1-5为5C容量,1-6为1C容量,1-7为20C容量;2_1为充放电效率,2-2为放电容量衰退曲线。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0036]实施例一:大孔碳材料制备
[0037]按质量比1:1称取芮城华纳纳米材料有限公司生产的,粒径为15?40nm的亲水性纳米CaCO3和葡萄糖各10g,加入至10ml去离子水中,超声振动混合30分钟使葡萄糖溶解并与纳米CaCO3*散均匀;加热使水蒸发,然后在160°C下固化6小时;将固化产物在氮气氛保护下升温至900°C,恒温碳化2小时;碳化产物依次用5wt%浓度的硝酸、去离子水洗涤,再120°C下恒温干燥4小时后,得到大孔碳材料。
[0038]实施例二:纳米磷酸铁锂修饰大孔碳材料制备
[0039]葡萄糖10g,加入至50ml去离子水中,将FePO4 4H20与L1H H2O与葡萄糖按质量比0.931: 0.1: 10,加入FePO4 4H20与L1H H2O,球磨混合30分钟,按碳酸钙与葡萄糖质量比1:1加入粒径为15?40nm的市贩亲水性纳米碳酸妈1g (如芮城华纳纳米材料有限公司的产品)球磨混合30分钟;加热使水蒸发,然后在160°C下固化6小时;将固化产物在氮气氛保护下升温至700°C,恒温碳化8小时;碳化产物依次用5wt%浓度的硝酸、去离子水洗涤,再120°C下恒温干燥4小时后,得到纳米磷酸铁锂修饰大孔碳。
[0040]实施例三:正极材料制备
[0041]将单质硫与实施例二中得到的含纳米磷酸铁锂的大孔碳按质量比为7: 3机械混合均匀,置于316不锈钢材质的反应器内,然后将反应器抽真空后加热至80°C,反应5小时后完成硫的担载,再将反应产物冷却至10°C,即制得正极材料。
[0042]实施例四:Li+-Naf1n溶液的制备
[0043]取1g LiNO3加入至100ml Naf1n(20wt%,产自杜邦公司)中,搅拌30分钟后,离心分离掉过剩的LiNO3,得到Li+-Naf1n溶液。
[0044]实施例五:ΡΕ0改性Li+-Naf1n树脂的制备
[0045]将实施例四中得到的Li+-Naf1n溶液100ml,加入2g市贩聚氧化乙烯(分子量为500,000g/mol)和50ml去离子水,搅拌I小时,得到PEO改性Li+-Naf1n溶液,喷雾干燥后,得到PEO改性Li+-Naf1n粉末,作为粘结剂。
[0046]实施例六:正极制备
[0047]将单质硫与实施例二中得到的含纳米磷酸铁锂的大孔碳按质量比为7: 3机械混合均匀,置于316不锈钢材质的反应器内,然后将反应器抽真空后加热至80°C,反应8小时后完成硫的担载,再将反应产物冷却至20°C,即制得正极材料。
[0048]将上述正极材料1.4g,与乙炔黑、粘结剂按质量比70: 15: 15混合,研磨均匀后取2g加入作为分散剂的N-甲基吡咯烷酮(NMP:2g),然后调制成糊状后取0.1ml涂敷到直径为18mm的铝膜上并阴干;在lOOKg/cm2的压力下压制成型,即得到正极;所述粘结剂为实施例五中得到的PEO改性Li+-Naf1n ;乙炔黑为市售宁夏贝利特化工有限公司生产的产品O
[0049]实施例七:微孔聚苯并咪唑膜的制备
[0050]将市贩的PBI(1g)溶于二甲基乙酰胺(100ml) (DMAC,一种常用作非质子极性溶剂)再加入碳酸氢铵(0.0lg),搅拌溶解后,倒入制膜器,90°C真空干燥12小时,真空下加热至200°C使碳酸氢铵气化造孔,恒温加热2小时待碳酸氢铵完全气化后降至室温,得到微孔聚苯并咪唑膜。
[0051]实施例八:改性聚苯并咪唑膜的制备
[0052]将市贩的PBI(1g)溶于二甲基乙酰胺(100ml) (DMAC,一种常用作非质子极性溶剂)再加入碳酸氢铵(0.1g),搅拌溶解后,倒入制膜器,90°C真空干燥12小时,真空下加热至250°C使碳酸氢铵气化造孔,恒温加热2小时待碳酸氢铵完全气化后降至室温,得到微孔聚苯并咪唑膜。
[0053]60 °C下,将实施例五中制备的PEO改性Li+-Naf1n树脂粉末(0.07g)溶于NMP(2g),加入0.07g乙炔黑搅拌均匀,取0.5ml滴到上述微孔聚苯并咪唑膜,60°C下,真空干燥12小时后再在另一面滴加0.5ml,60°C下真空干燥12小时后得到改性聚苯并咪唑复合隔膜。
[0054]实施例九:改性聚苯并咪挫膜的处理
[0055]将市贩的PBI(1g)溶于二甲基乙酰胺(100ml) (DMAC,一种常用作非质子极性溶剂)再加入碳酸氢铵(0.3g),搅拌溶解后,倒入制膜器,90°C真空干燥12小时,真空下加热至300°C使碳酸氢铵气化造孔,恒温加热2小时待碳酸氢铵完全气化后降至室温,得到微孔聚苯并咪唑膜。
[0056]60 °C下,将实施例五中制备的PEO改性Li+-Naf1n树脂粉末(0.07g)溶于NMP(2g),加入0.07g乙炔黑搅拌均匀,取0.5ml滴到上述微孔聚苯并咪唑膜,60°C下,真空干燥12小时后再在另一面滴加0.5ml,60°C下真空干燥12小时后得到改性聚苯并咪唑复合隔膜。
[0057]将上述改性聚苯并咪唑复合隔膜在电解液中浸泡24小时;电解液以Li [CF3SO2)2N] (LiTFSI)为溶质,二氧戊环(C
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