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,已成为最具吸引力的新型电池系统之一。锂硫电池中,硫的多电子反应本征特性带来了电极材料的高容量特点,但也同时导致锂硫电池系统存在更多的复杂性。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。
聚丙烯腈(PAN)是一种常用的制备聚合物纳米纤维的原料,其具有较为稳定的化学性质和耐腐蚀性,并且不溶解于乙醇。聚丙烯酸(PAA)能够溶解于乙醇中,且其分子链中带大量羟基,羟基会对多硫化物起到化学吸附的作用,因而能对多硫化物的穿梭起到一定的抑制作用。基于此背景,我们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。
孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜,其制备方法为:
步骤1:采用静电纺丝的方法制备得到静电纺聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维膜:以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,以6∶4∶90的质量比例称取聚丙烯腈、聚丙烯酸与N,N-二甲基甲酰胺,将聚丙烯腈、聚丙烯酸加入到N,N-二甲基甲酰胺中,置于搅拌台上以700r/min的转速室温(25℃)搅拌溶解12h,得到混合纺丝液;在环境温度为25±2℃,空气湿度为35±3%的条件下,取5ml升混合纺丝液倒入5ml的注射器中,以控制纺出纤维的量;纺丝参数设置为0.08ml/min的推进速度,以旋转的铝箔接收纳米纤维,针头与接收用的铝箔之间的电压为15kV,进行静电纺丝得到聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维膜;
步骤2:采用乙醇蒸汽处理:在烧杯中加入120ml的乙醇,并置于加热台上加热到60℃,将步骤1中得到的静电纺聚丙烯腈/聚丙烯酸复合纳米纤维置于烧杯上方,所述的复合纳米纤维膜与烧杯中的液面平行设置,控制复合纳米纤维膜与乙醇液面的距离为8cm,利用热蒸发出来的乙醇蒸汽处理纳米纤维膜30min,再将处理后的复合纳米纤维膜放在60℃的真空烘箱中干燥24小时,最后得到孔结构可控的聚丙烯腈/聚丙烯酸纳米纤维锂硫电池隔膜。