专利名称:具有单片膈膜的锂硫电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种具有单片膈膜的锂硫电池，包括金属锂负极，正极集流体一面附着有正极材料构成的硫正极片，以及金属锂负极和硫正极片之间的一片隔膜，其特点是：所述隔膜上附着有一层碳膜，所述隔膜上的碳膜与硫正极片上有正极材料的一面贴在一起。本实用新型通过在单片隔膜一面附着一层碳膜，使得碳膜与隔膜成为一体，构成覆碳隔膜，不仅简化了锂硫电池的制作工艺，而且碳膜的厚度均匀性，还大幅减小了碳膜的厚度，提升了锂硫电池的性能，降低了锂硫电池的制作成本。
【专利说明】具有单片膈膜的锂硫电池
【技术领域】
[0001]本实用新型属于锂硫电池【技术领域】，特别是涉及一种具有单片膈膜的锂硫电池。
【背景技术】
[0002]在锂硫电池体系中，以金属锂为负极，单质硫为正极，理论比能量可达到2600Wh/kg，远大于现代商业化的锂离子锂硫电池。此外单质硫也具有价格低廉，环境友好的特性。因此，锂硫电池具有极高的商业应用潜力。但是锂硫电池也存在着诸多的问题。其中最主要的是锂硫电池在充放电的过程当中，硫的利用率低，循环过程中容量衰减快，导致这一问题的原因包括多个方面，其中之一是单质硫为绝缘体，硫电极中活性物质活化难度大。而且，单质硫在放电过程中，产生大量的中间产物，即多硫化物。多硫化物会溶解于电解液当中，并离开原来的位置，随着单质硫的最终还原产物的析出，形成大量的大颗粒，降低了还原产物氧化的可逆性。此外，多硫化物会扩散到负极金属锂的表面，与金属锂发生还原反应，并返回正极，再发生氧化反应，即“穿梭效应”。该效应不但降低锂硫电池的库伦效率，腐蚀金属锂负极，而且会在金属锂表面生成大量绝缘的还原产物，导致锂硫电池的内阻增加。最终降低了锂硫电池的放电比容量和循环寿命。
[0003]为提高锂硫电池的放电比容量和循环寿命，目前公开了在锂硫电池正负极之间放置独立的碳膜夹层，即将碳材料和PTFE粘结剂混合并辊压成膜，或者使用碳纤维布等材料，形成独立的具有自支撑能力的碳膜，该碳膜不仅制备工艺复杂，且厚度大，重量高，锂硫电池装配过程难度大，降低了锂硫电池的性能和应用潜力。
【发明内容】
[0004]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种碳膜厚度薄、重量轻，电池装配过程方便，有效提升电池性能的一种具有单片膈膜的锂硫电池。
[0005]本实用新型包括如下技术方案:
[0006]具有单片膈膜的锂硫电池，包括金属锂负极，正极集流体一面附着有正极材料构成的硫正极片，以及金属锂负极和硫正极片之间的一片隔膜，其特点是:所述隔膜上附着有一层碳膜，所述隔膜上的碳膜与硫正极片上有正极材料的一面贴在一起。
[0007]本实用新型还可以采用如下技术措施:
[0008]所述碳膜厚度为I?100微米。
[0009]所述单片膈膜由单层材料构成或者由复数层材料构成。
[0010]本实用新型具有的优点和积极效果:
[0011]1、本实用新型通过在单片隔膜一面附着一层碳膜，使得碳膜与隔膜成为一体，构成覆碳隔膜，不仅简化了锂硫电池的制作工艺，降低了锂硫电池的制作成本，而且碳膜的厚度均匀性，还大幅减小了碳膜的厚度，提升了锂硫电池的性能。
[0012]2、本实用新型制备的锂硫电池中的碳膜具有高孔隙率的特点，可以大量吸储电解液，有利于硫和多硫化物的溶解，从而保证了锂硫电池中正极电极反应的发生，有效提升了锂硫电池的性能。
【附图说明】
[0013]图1是本实用新型具有单片膈膜的锂硫电池内部结构示意图；
[0014]图2是图1中的覆碳隔膜结构示意图；
[0015]图3是实施例1电池充放电测试循环性能曲线图；
[0016]图4是实施例2电池充放电测试循环性能曲线图。
[0017]图中，1-金属锂负极，2-隔膜，3-碳膜，4-硫正极片，5-正极集流体。
【具体实施方式】
[0018]为能进一步公开本实用新型的
【发明内容】
、特点及功效，特例举以下实例详细说明如下。
[0019]具有单片膈膜的锂硫电池，包括金属锂负极，正极集流体一面附着有正极材料构成的硫正极片，以及金属锂负极和硫正极片之间的一片隔膜。
[0020]本实用新型的创新点在于:
[0021]所述隔膜上附着有一层碳膜，所述隔膜上的碳膜与硫正极片上有正极材料的一面贴在一起。
[0022]所述碳膜厚度为I?100微米。
[0023]所述单片膈膜由单层材料构成或者由复数层材料构成。
[0024]本实用新型的制作过程:
[0025]实施例1:
[0026]步骤1:制作覆碳隔膜
[0027]⑴用NMP溶剂将PVDF溶质溶解为固含量6%的溶液作为PVDF粘结剂；将质量比为3:2，比表面积为2100m2/g的活性炭和PVDF粘结剂混合成浆料；
[0028]⑵选用40微米厚的PE-PP-PE作为隔膜2，用刮刀将步骤I制出的浆料涂覆在隔膜一面；通过刮刀上的出料槽，将隔膜上浆料的厚度控制至0.1mm ;
[0029]⑶将涂覆有浆料的隔膜置于真空干燥箱内，加热至45°C后，进行24h真空干燥，隔膜一面附着一层碳膜3，自然冷却至室温后取出，制出如图2所示的覆碳隔膜；
[0030]步骤2:制作硫正极片
[0031]⑴选用质量比为8:1:1的S、SP、LA混合物作为正极材料，将正极材料和水球磨混合成正极浆料，正极浆料的固质量含量为25% ;
[0032]⑵选用20微米厚的铝箔作为正极集流体5 ；
[0033]⑶用刮刀将正极浆料涂覆在正极集流体一面，通过刮刀上的出料槽控制正极集流体上正极楽料的厚度至0.17mm ；
[0034]⑷将涂覆有正极浆料涂的铝箔置入真空干燥箱内，加热至45°C后，进行24h真空干燥，正极集流体一面附着一层硫正极材料4，制成硫正极片；
[0035]步骤3:装配具有单片膈膜的锂硫电池
[0036]⑴如图1所示，将硫正极片上有硫正极材料的一面与步骤I制出的覆碳隔膜有碳膜的一面贴在一起，将金属锂负极I置于覆碳隔膜的另一面，一起置入CR2430型扣式锂硫电池用锂硫电池壳内；
[0037]⑵在电池壳内注入电解液，注入的电解液为lmol/L LiTFSI的D0L-DME溶液(DOL和DME的体积比为1:1)，密封，完成CR2430型扣式具有单片膈膜的锂硫电池的制作过程。
[0038]对实施例1制成的CR2430型扣式具有单片膈膜的锂硫电池进行充放电测试，得出如图3所示的充放电测试结果:硫材料最大放电比容量超过1000mAh/g，且在20次循环后，放电比容量基本稳定在750mAh/g。测试结果表明，实施例1制出的CR2430型扣式具有单片膈膜的锂硫电池具有极好的电化学性能。
[0039]实施例2
[0040]步骤1:制作覆碳隔膜
[0041](I)用NMP溶剂将PVDF溶质溶解为固含量6%的溶液作为PVDF粘结剂；将质量比为3:1: 1，比表面积为2100m2/g的活性炭、SP和PVDF粘结剂混合成浆料；
[0042]⑵选用40微米厚的PE-PP-PE作为隔膜2，用刮刀将步骤I制出的浆料涂覆在隔膜一面；通过刮刀上的出料槽，将隔膜上浆料的厚度控制至0.1mm ;
[0043]⑶将涂覆有浆料的隔膜置于真空干燥箱内，加热至45°C后，进行24h真空干燥，隔膜一面附着一层碳膜3，自然冷却至室温后取出，制出如图2所示的覆碳隔膜；
[0044]步骤2:制作硫正极片
[0045]⑴选用质量比为9:1的S和LA混合物作为正极材料，将正极材料和水球磨混合成正极浆料，正极浆料的固质量含量为25% ；
[0046]⑵选用20微米厚的铝箔作为正极集流体5 ；
[0047]⑶用刮刀将正极浆料涂覆在正极集流体一面，通过刮刀上的出料槽控制正极集流体上正极楽料的厚度至0.17mm ；
[0048]⑷将涂覆有正极浆料涂的铝箔置入真空干燥箱内，加热至45°C后，进行24h真空干燥，正极集流体一面附着一层硫正极片4，制出硫正极片；
[0049]将涂覆有正极浆料涂的铝箔置入真空干燥箱内，加热至45°C后，进行24h真空干燥，正极集流体一面附着一层硫正极材料4，制成硫正极片；
[0050]步骤3:装配具有单片膈膜的锂硫电池
[0051]⑴如图1所示，将硫正极片上有硫正极材料的一面与步骤I制出的覆碳隔膜有碳膜的一面贴在一起，将金属锂负极I置于覆碳隔膜的另一面，一起置入CR2430型扣式锂硫电池用锂硫电池壳内；
[0052]⑵在电池壳内注入电解液，注入的电解液为lmol/L LiTFSI的DOL-DME溶液(DOL和DME的体积比为1:1)，密封，完成本实用新型CR2430型扣式具有单片膈膜的锂硫电池的制作过程。
[0053]对实施例2制成的CR2430型扣式具有单片膈膜的锂硫电池进行充放电测试，得出如图4所示的充放电测试结果:硫材料最大放电比容量达到894mAh/g。实施例2制出的覆碳隔膜锂硫电池，不仅可以使锂硫电池具有极好的电化学性能，而且正极中可以不使用导电剂。
[0054]综上所述，本实用新型制作的覆碳隔膜锂硫电池具有放电比容量高和循环性能好的特点，并且覆碳隔膜中的膈膜厚度薄、重量轻、制备简单易操作，在锂硫电池装配过程中也容易应用。
[0055]本实用新型的工作原理:
[0056]本实用新型通过粘结剂，将碳材料粘结在隔膜表面，使得碳膜与隔膜成为一体，形成了覆碳隔膜，避免了独立的具有自支撑能力的碳膜制作工艺复杂，厚度大，重量高，锂硫电池装配过程难度大的问题。不仅简化了锂硫电池的制作工艺，大幅减小了锂硫电池中碳膜的厚度，而且锂硫电池具有很好的电化学性能，降低了锂硫电池的制作成本；选用较大的比表面积形成较为疏松的碳膜，可以吸附多硫化物，抑制穿梭效应，从而在碳膜中储存大量的电解液，提高了电解液与硫的比例，改善了硫的溶出，有利于硫和多硫化物的溶解，利于正极反应的发生，并缓解溶解带来的电解液粘度升高。试验结果表明，本实用新型覆碳隔膜锂硫电池具有放电比容量高，循环寿命长的特点，并提高了库伦效率，且对锂硫电池能量密度影响很小，有效提升了锂硫电池的性能。
[0057]尽管上面对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的隔膜技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式。这些均属于本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.具有单片膈膜的锂硫电池，包括金属锂负极，正极集流体一面附着有正极材料构成的硫正极片，以及金属锂负极和硫正极片之间的一片隔膜，其特征在于:所述隔膜上附着有一层碳膜，所述隔膜上的碳膜与硫正极片上有正极材料的一面贴在一起。2.根据权利要求1所述具有单片膈膜的锂硫电池，其特征在于:所述碳膜厚度为I?100微米。3.根据权利要求1所述具有单片膈膜的锂硫电池，其特征在于:所述单片膈膜由单层材料构成或者由复数层材料构成。
【文档编号】H01M2-16GK204271171SQ201420653692
【发明者】陈振宇 [申请人]中国电子科技集团公司第十八研究所