專利名稱:具有單片膈膜的鋰硫電池的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種具有單片膈膜的鋰硫電池，包括金屬鋰負(fù)極，正極集流體一面附著有正極材料構(gòu)成的硫正極片，以及金屬鋰負(fù)極和硫正極片之間的一片隔膜，其特點(diǎn)是：所述隔膜上附著有一層碳膜，所述隔膜上的碳膜與硫正極片上有正極材料的一面貼在一起。本實(shí)用新型通過在單片隔膜一面附著一層碳膜，使得碳膜與隔膜成為一體，構(gòu)成覆碳隔膜，不僅簡化了鋰硫電池的制作工藝，而且碳膜的厚度均勻性，還大幅減小了碳膜的厚度，提升了鋰硫電池的性能，降低了鋰硫電池的制作成本。
【專利說明】具有單片膈膜的鋰硫電池

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于鋰硫電池【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種具有單片膈膜的鋰硫電池。

【背景技術(shù)】
[0002]在鋰硫電池體系中，以金屬鋰為負(fù)極，單質(zhì)硫?yàn)檎龢O，理論比能量可達(dá)到2600Wh/kg，遠(yuǎn)大于現(xiàn)代商業(yè)化的鋰離子鋰硫電池。此外單質(zhì)硫也具有價(jià)格低廉，環(huán)境友好的特性。因此，鋰硫電池具有極高的商業(yè)應(yīng)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(dāng)中，硫的利用率低，循環(huán)過程中容量衰減快，導(dǎo)致這一問題的原因包括多個(gè)方面，其中之一是單質(zhì)硫?yàn)榻^緣體，硫電極中活性物質(zhì)活化難度大。而且，單質(zhì)硫在放電過程中，產(chǎn)生大量的中間產(chǎn)物，即多硫化物。多硫化物會(huì)溶解于電解液當(dāng)中，并離開原來的位置，隨著單質(zhì)硫的最終還原產(chǎn)物的析出，形成大量的大顆粒，降低了還原產(chǎn)物氧化的可逆性。此外，多硫化物會(huì)擴(kuò)散到負(fù)極金屬鋰的表面，與金屬鋰發(fā)生還原反應(yīng)，并返回正極，再發(fā)生氧化反應(yīng)，即“穿梭效應(yīng)”。該效應(yīng)不但降低鋰硫電池的庫倫效率，腐蝕金屬鋰負(fù)極，而且會(huì)在金屬鋰表面生成大量絕緣的還原產(chǎn)物，導(dǎo)致鋰硫電池的內(nèi)阻增加。最終降低了鋰硫電池的放電比容量和循環(huán)壽命。
[0003]為提高鋰硫電池的放電比容量和循環(huán)壽命，目前公開了在鋰硫電池正負(fù)極之間放置獨(dú)立的碳膜夾層，即將碳材料和PTFE粘結(jié)劑混合并輥壓成膜，或者使用碳纖維布等材料，形成獨(dú)立的具有自支撐能力的碳膜，該碳膜不僅制備工藝復(fù)雜，且厚度大，重量高，鋰硫電池裝配過程難度大，降低了鋰硫電池的性能和應(yīng)用潛力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種碳膜厚度薄、重量輕，電池裝配過程方便，有效提升電池性能的一種具有單片膈膜的鋰硫電池。
[0005]本實(shí)用新型包括如下技術(shù)方案:
[0006]具有單片膈膜的鋰硫電池，包括金屬鋰負(fù)極，正極集流體一面附著有正極材料構(gòu)成的硫正極片，以及金屬鋰負(fù)極和硫正極片之間的一片隔膜，其特點(diǎn)是:所述隔膜上附著有一層碳膜，所述隔膜上的碳膜與硫正極片上有正極材料的一面貼在一起。
[0007]本實(shí)用新型還可以采用如下技術(shù)措施:
[0008]所述碳膜厚度為I?100微米。
[0009]所述單片膈膜由單層材料構(gòu)成或者由復(fù)數(shù)層材料構(gòu)成。
[0010]本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
[0011]1、本實(shí)用新型通過在單片隔膜一面附著一層碳膜，使得碳膜與隔膜成為一體，構(gòu)成覆碳隔膜，不僅簡化了鋰硫電池的制作工藝，降低了鋰硫電池的制作成本，而且碳膜的厚度均勻性，還大幅減小了碳膜的厚度，提升了鋰硫電池的性能。
[0012]2、本實(shí)用新型制備的鋰硫電池中的碳膜具有高孔隙率的特點(diǎn)，可以大量吸儲(chǔ)電解液，有利于硫和多硫化物的溶解，從而保證了鋰硫電池中正極電極反應(yīng)的發(fā)生，有效提升了鋰硫電池的性能。

【附圖說明】

[0013]圖1是本實(shí)用新型具有單片膈膜的鋰硫電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖2是圖1中的覆碳隔膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖3是實(shí)施例1電池充放電測試循環(huán)性能曲線圖；
[0016]圖4是實(shí)施例2電池充放電測試循環(huán)性能曲線圖。
[0017]圖中，1-金屬鋰負(fù)極，2-隔膜，3-碳膜，4-硫正極片，5-正極集流體。

【具體實(shí)施方式】
[0018]為能進(jìn)一步公開本實(shí)用新型的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點(diǎn)及功效，特例舉以下實(shí)例詳細(xì)說明如下。
[0019]具有單片膈膜的鋰硫電池，包括金屬鋰負(fù)極，正極集流體一面附著有正極材料構(gòu)成的硫正極片，以及金屬鋰負(fù)極和硫正極片之間的一片隔膜。
[0020]本實(shí)用新型的創(chuàng)新點(diǎn)在于:
[0021]所述隔膜上附著有一層碳膜，所述隔膜上的碳膜與硫正極片上有正極材料的一面貼在一起。
[0022]所述碳膜厚度為I?100微米。
[0023]所述單片膈膜由單層材料構(gòu)成或者由復(fù)數(shù)層材料構(gòu)成。
[0024]本實(shí)用新型的制作過程:
[0025]實(shí)施例1:
[0026]步驟1:制作覆碳隔膜
[0027]⑴用NMP溶劑將PVDF溶質(zhì)溶解為固含量6%的溶液作為PVDF粘結(jié)劑；將質(zhì)量比為3:2，比表面積為2100m2/g的活性炭和PVDF粘結(jié)劑混合成漿料；
[0028]⑵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 ;
[0029]⑶將涂覆有漿料的隔膜置于真空干燥箱內(nèi)，加熱至45°C后，進(jìn)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，制出如圖2所示的覆碳隔膜；
[0030]步驟2:制作硫正極片
[0031]⑴選用質(zhì)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(zhì)量含量為25% ;
[0032]⑵選用20微米厚的鋁箔作為正極集流體5 ；
[0033]⑶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楽料的厚度至0.17mm ；
[0034]⑷將涂覆有正極漿料涂的鋁箔置入真空干燥箱內(nèi)，加熱至45°C后，進(jìn)行24h真空干燥，正極集流體一面附著一層硫正極材料4，制成硫正極片；
[0035]步驟3:裝配具有單片膈膜的鋰硫電池
[0036]⑴如圖1所示，將硫正極片上有硫正極材料的一面與步驟I制出的覆碳隔膜有碳膜的一面貼在一起，將金屬鋰負(fù)極I置于覆碳隔膜的另一面，一起置入CR2430型扣式鋰硫電池用鋰硫電池殼內(nèi)；
[0037]⑵在電池殼內(nèi)注入電解液，注入的電解液為lmol/L LiTFSI的D0L-DME溶液(DOL和DME的體積比為1:1)，密封，完成CR2430型扣式具有單片膈膜的鋰硫電池的制作過程。
[0038]對實(shí)施例1制成的CR2430型扣式具有單片膈膜的鋰硫電池進(jìn)行充放電測試，得出如圖3所示的充放電測試結(jié)果:硫材料最大放電比容量超過1000mAh/g，且在20次循環(huán)后，放電比容量基本穩(wěn)定在750mAh/g。測試結(jié)果表明，實(shí)施例1制出的CR2430型扣式具有單片膈膜的鋰硫電池具有極好的電化學(xué)性能。
[0039]實(shí)施例2
[0040]步驟1:制作覆碳隔膜
[0041](I)用NMP溶劑將PVDF溶質(zhì)溶解為固含量6%的溶液作為PVDF粘結(jié)劑；將質(zhì)量比為3:1: 1，比表面積為2100m2/g的活性炭、SP和PVDF粘結(jié)劑混合成漿料；
[0042]⑵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 ;
[0043]⑶將涂覆有漿料的隔膜置于真空干燥箱內(nèi)，加熱至45°C后，進(jìn)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，制出如圖2所示的覆碳隔膜；
[0044]步驟2:制作硫正極片
[0045]⑴選用質(zhì)量比為9:1的S和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(zhì)量含量為25% ；
[0046]⑵選用20微米厚的鋁箔作為正極集流體5 ；
[0047]⑶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楽料的厚度至0.17mm ；
[0048]⑷將涂覆有正極漿料涂的鋁箔置入真空干燥箱內(nèi)，加熱至45°C后，進(jìn)行24h真空干燥，正極集流體一面附著一層硫正極片4，制出硫正極片；
[0049]將涂覆有正極漿料涂的鋁箔置入真空干燥箱內(nèi)，加熱至45°C后，進(jìn)行24h真空干燥，正極集流體一面附著一層硫正極材料4，制成硫正極片；
[0050]步驟3:裝配具有單片膈膜的鋰硫電池
[0051]⑴如圖1所示，將硫正極片上有硫正極材料的一面與步驟I制出的覆碳隔膜有碳膜的一面貼在一起，將金屬鋰負(fù)極I置于覆碳隔膜的另一面，一起置入CR2430型扣式鋰硫電池用鋰硫電池殼內(nèi)；
[0052]⑵在電池殼內(nèi)注入電解液，注入的電解液為lmol/L LiTFSI的DOL-DME溶液(DOL和DME的體積比為1:1)，密封，完成本實(shí)用新型CR2430型扣式具有單片膈膜的鋰硫電池的制作過程。
[0053]對實(shí)施例2制成的CR2430型扣式具有單片膈膜的鋰硫電池進(jìn)行充放電測試，得出如圖4所示的充放電測試結(jié)果:硫材料最大放電比容量達(dá)到894mAh/g。實(shí)施例2制出的覆碳隔膜鋰硫電池，不僅可以使鋰硫電池具有極好的電化學(xué)性能，而且正極中可以不使用導(dǎo)電劑。
[0054]綜上所述，本實(shí)用新型制作的覆碳隔膜鋰硫電池具有放電比容量高和循環(huán)性能好的特點(diǎn)，并且覆碳隔膜中的膈膜厚度薄、重量輕、制備簡單易操作，在鋰硫電池裝配過程中也容易應(yīng)用。
[0055]本實(shí)用新型的工作原理:
[0056]本實(shí)用新型通過粘結(jié)劑，將碳材料粘結(jié)在隔膜表面，使得碳膜與隔膜成為一體，形成了覆碳隔膜，避免了獨(dú)立的具有自支撐能力的碳膜制作工藝復(fù)雜，厚度大，重量高，鋰硫電池裝配過程難度大的問題。不僅簡化了鋰硫電池的制作工藝，大幅減小了鋰硫電池中碳膜的厚度，而且鋰硫電池具有很好的電化學(xué)性能，降低了鋰硫電池的制作成本；選用較大的比表面積形成較為疏松的碳膜，可以吸附多硫化物，抑制穿梭效應(yīng)，從而在碳膜中儲(chǔ)存大量的電解液，提高了電解液與硫的比例，改善了硫的溶出，有利于硫和多硫化物的溶解，利于正極反應(yīng)的發(fā)生，并緩解溶解帶來的電解液粘度升高。試驗(yàn)結(jié)果表明，本實(shí)用新型覆碳隔膜鋰硫電池具有放電比容量高，循環(huán)壽命長的特點(diǎn)，并提高了庫倫效率，且對鋰硫電池能量密度影響很小，有效提升了鋰硫電池的性能。
[0057]盡管上面對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本實(shí)用新型并不局限于上述的【具體實(shí)施方式】，上述的【具體實(shí)施方式】僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的隔膜技術(shù)人員在本實(shí)用新型的啟示下，在不脫離本實(shí)用新型宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以作出很多形式。這些均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.具有單片膈膜的鋰硫電池，包括金屬鋰負(fù)極，正極集流體一面附著有正極材料構(gòu)成的硫正極片，以及金屬鋰負(fù)極和硫正極片之間的一片隔膜，其特征在于:所述隔膜上附著有一層碳膜，所述隔膜上的碳膜與硫正極片上有正極材料的一面貼在一起。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有單片膈膜的鋰硫電池，其特征在于:所述碳膜厚度為I?100微米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述具有單片膈膜的鋰硫電池，其特征在于:所述單片膈膜由單層材料構(gòu)成或者由復(fù)數(shù)層材料構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】H01M2-16GK204271171SQ201420653692
【發(fā)明者】陳振宇 [申請人]中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所