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东华大学:孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜

作者:admin 发布日期:2018/12/10 关注次数: 二维码分享

易丝帮讯 东华大学缪月娥等人发明提供了一种孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜。该膜特征在于,制备方法包括:采用静电纺丝的方法制备得到聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维;通过乙醇蒸汽处理,得到孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维。

该发明制备的复合材料具有纤维形貌完整,孔径结构分布均一等特点。聚丙烯腈能起到复合纳米纤维骨架作用,聚丙烯酸则作为复合纳米纤维的结构调控物质,该复合纳米纤维隔膜具有环保高效、孔径和孔隙率精确调控、物理化学性质稳定等优点。

锂硫(Li-S)电池具有超高的理论比容量(1672mAh g-1)和能量密度(2600W h kg-1),且硫的储量丰富、价格低廉、环境友好,已成为较具吸引力的新型电池系统之一。但是,硫电极在充放电过程中产生可溶的多硫化物,一方面导致高阶多硫化物跨隔膜扩散与金属锂负极直接反应生成低阶多硫化物带来锂硫电池的副反应循环,也即“穿梭效应”,降低锂硫电池的库伦效率;另一方面也导致含硫组分的损失,使电池性能发生快速衰减。

隔膜系统是防止电池正负极直接接触发生短路;同时,通过隔膜中的孔道结构保持电解液联通,维持离子通道。目前市场上的锂硫电池隔膜多硫化物的穿梭并没有起到较好的抑制作用,因而将不可避免地产生容量衰减和循环稳定性差的缺陷。

基于此,该研究结合静电纺丝和乙醇蒸汽处理的实验方案,提出了基于聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维隔膜的孔径和孔隙率调控策略:以聚丙烯腈作为纳米纤维骨架,聚丙烯酸作为结构调控物质和多硫化物的吸附物质,来设计优化锂硫电池隔膜的结构,既保障电池内部锂离子的高效传输,又能对多硫化物的穿梭起到一定的抑制作用,从而提高锂硫电池的性能和使用寿命。


图1 材料的扫描电镜照片


(a)是静电纺聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维


(b)是孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维


图3 材料所组装成的锂硫电池倍率性能图。

与现有技术相比,该发明的有益效果是: 1、制备过程简单易行且十分环保,是一种快捷有效的制备方法。 2、该发明采用静电纺丝的方法制备得到聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维,该种复合纳米纤维的直径均匀,纤维形貌完整,聚丙烯腈和聚丙烯酸在单根纤维上呈现均匀分布,没有任何相分离的现象。3、采用乙醇蒸汽处理的方法,使得部分聚丙烯酸溶解出来形成纤维间的粘接,达到减小纤维膜的孔隙率,调控纤维膜孔径的作用。4、该发明中聚丙烯腈能起到复合纳米纤维骨架作用,聚丙烯酸则作为复合纳米纤维的结构调控物质,该复合纳米纤维隔膜具有环保高效、孔径和孔隙率精确调控、物理化学性质稳定等优点。

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