一种锂硫电池用复合材料的制备方法及该复合材料的应用技术

本发明专利技术属于锂硫电池的技术领域，涉及由活性材料制备功能性夹层的方法，具体地说是一种锂硫电池用复合材料的制备方法及该复合材料作为锂硫电池功能性夹层的应用。是一种利用管式炉加热的工艺来制备磷化铁/碳布复合材料（FeP/CC复合材料）。制备出的FeP/CC复合材料作为锂硫电池用功能性夹层不仅加快了电子和离子的传输速率，促进了锂硫电池在充放电过程中的氧化还原反应，同时很好的吸附了多硫化物，抑制了多硫化物的穿梭效应。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池用复合材料的制备方法及该复合材料的应用
本专利技术属于锂硫电池的
，涉及由活性材料制备功能性夹层的方法，具体地说是一种锂硫电池用复合材料的制备方法及该复合材料作为锂硫电池功能性夹层的应用。
技术介绍
锂离子二次电池因具有高工作电压、高能量密度、长寿命及无记忆效应等优点，成为各类电子产品的首选电源。随着电子设备进一步的小型化以及电动汽车、大型储能电站的迅速发展，人们对其电源提出了更高的要求。现有的锂离子电池因受理论比容量的限制难以满足人们需求，而以硫作正极的锂硫电池具有很高的理论能量密度(2600Wh/kg)，理论比容量达1675mAh/g，且硫廉价、资源丰富、低毒性，因此成为备受青睐的高能量密度的二次电池体系。但是锂硫电池依然存在一些关键性问题，首先，充放电过程中所产生的聚硫离子Li2Sx(x＝3～8)会溶解在电解液并发生迁移，从而发生“穿梭”效应。“穿梭”效应的产生，直接导致了活性物质的流失以及锂负极的腐蚀，使电池循环稳定性变差。此外，单质硫及其放电终产物的绝缘性、充放电过程中正极较大的体积变化，均会导致锂硫电池的放电比容量下降，制约锂硫电池性能的提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种锂硫电池用复合材料的制备方法及该复合材料作为锂硫电池功能性夹层的应用，是一种利用管式炉加热的工艺来制备磷化铁/碳布复合材料(FeP/CC复合材料)。制备出的FeP/CC复合材料作为锂硫电池用功能性夹层不仅加快了电子和离子的传输速率，促进了锂硫电池在充放电过程中的氧化还原反应，同时很好的吸附了多硫化物，抑制了多硫化物的穿梭效应。本专利技术的技术方案如下：一种锂硫电池用复合材料的制备方法，具体步骤如下：第一步：四氧化三铁/碳布复合材料(Fe3O4/CC复合材料)的制备：将质量百分比分别为20-50％的Fe(NO3)3·9H2O和2.5-10％的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解在DMF中，然后通过在温度为70-80℃的剧烈搅拌下制备混合溶液，然后在20℃下，用浸渍涂布法在碳布衬底上沉积溶液，并除去多余的溶液，最后将改性的碳布在600-800℃的条件下空烧热解2-4小时，得到Fe3O4/CC复合材料。第二步：磷化铁/碳布复合材料(FeP/CC复合材料)的制备：将第一步制备的Fe3O4/CC和NaHPO2分别放置于两个瓷舟中，Fe与P的摩尔比为1∶5-20，然后将瓷舟放置于管式炉中，装有NaHPO2的瓷舟被放置在靠近通入气体的一端；随后，在氩气气氛下将Fe3O4/CC在300-400℃加热2-4h，然后自然冷却到室温下，得到磷化铁/碳布复合材料。Fe(NO3)3·9H2O和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为1：1-1：2。上述一种锂硫电池FeP/CC复合材料的制备方法，所涉及的原材料均通过商购获得。本专利技术的锂硫电池复合材料在锂硫电池中作为功能性夹层的应用。进一步优选为，最终将获得的FeP/CC复合材料通过裁片机裁切成直径19mm的圆片作为锂硫电池用功能性夹层。本专利技术的有益效果如下：(1)本专利技术的设计过程中，通过简单的管式炉加热的方法，将磷化铁纳米颗粒薄膜生长在碳布上，实现了快速和连续的长距离电子传输，增强了氧化还原反应动力学，抑制了多硫化物的穿梭，显著提高了锂硫电池的电化学性能。(2)本专利技术的设计过程中，创新性的提出了直接利用具有优异的韧度和强度的碳布作为磷化铁纳米颗粒薄膜的载体，这种功能性夹层设计增强功能性夹层结构的稳定性，并且不需要机械压制，操作简单。(3)本专利技术方法所制备FeP/CC复合材料应用于锂硫电池功能性夹层中，在0.1C下电池的首次充放电比容量达1080mAh/g，具有高的放电容量和卓越的循环稳定性，其电化学性能明显优于无夹层的锂硫电池的性能。总之，本专利技术利用FeP/CC作为锂硫电池的功能性夹层来改性锂硫电池，磷化铁属于过渡金属磷化物，是一种具有良好导电性的化合物，可以加快电子和离子的传输速率，实现快速和连续的长距离电子传输，并且具有高效的催化作用，增强了氧化还原反应动力学，促进了锂硫电池在充放电过程中的氧化还原反应，有利于多硫化物转化反应，降低了硫化锂的成核能量，同时磷化铁对多硫化物具有很强的化学结合作用，可以很好的吸附多硫化物，抑制多硫化物的穿梭效应。通过简单的管式炉加热法将磷化铁纳米颗粒薄膜生长在碳布上，碳布作为一种价廉且导电性高的纺织品，而且具有优异的柔韧性和强度，能够很好地起到支撑和固定磷化铁纳米颗粒薄膜的作用，增强功能性夹层结构的稳定性，提高了活性材料的再利用率，使锂硫电池容量提升，并增强了循环的稳定性。附图说明图1为实施例1所制得的磷化铁/碳布复合材料作为锂硫电池夹层的电化学充放电曲线。图2为实施例1所制得的磷化铁/碳布复合材料作为锂硫电池夹层的倍率性能图。图3为对比例所制得的Al2O3/CC复合材料作为锂硫电池夹层的电化学充放电曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。实施例1：第一步：Fe3O4/CC复合材料的制备：将质量百分比分别为20％的Fe(NO3)3·9H2O和2.5％的PVP以1:1的质量比溶解在20mL的DMF中，然后通过在温度为70℃的剧烈搅拌(整体表观流速在0.2m/s以上)下制备混合溶液，然后在20℃下，用浸渍涂布法在碳布衬底上沉积溶液，并除去多余的溶液。最后将改性的碳布在600℃的条件下空烧热解2小时。第二步：FeP/CC复合材料的制备：将第一步制备的Fe3O4/CC和NaHPO2分别放置于两个瓷舟中，Fe与P的摩尔比为1∶20，然后将瓷舟放置于管式炉中，装有NaHPO2的瓷舟被放置在靠近通入气体的一端。随后，在静态氩气气氛下将样品在300℃加热2h，然后自然冷却到室温下。最终将获取的磷化铁/碳布通过裁片机裁切成直径19mm的圆片，作为锂硫电池用功能性夹层。图1为本实施例所制得的磷化铁/碳布复合材料作为锂硫电池夹层的电化学充放电曲线。由该图1可见，在0.1C电流密度下，该材料的首次放电容量高达1080mAh/g。图2为本实施例所制得的磷化铁/碳布复合材料作为锂硫电池夹层的倍率性能图。由该图2可见，在不同电流密度0.1C，，0.5C，1C,2C下的比容量分别为1080mAh/g，790mAh/g，585mAh/g，410mAh/g。实施例2：第一步：Fe3O4/CC复合材料的制备：将质量百分比分别为25％的Fe(NO3)3·9H2O和5％的PVP以1:2的质量比溶解在20mL的DMF中，然后通过在温度为80℃的剧烈搅拌下制备混合溶液，然后在20℃下，用浸渍涂布法在碳布衬底上沉积溶液，并除去多余的溶液。最后将改性的碳布在800℃的条件下空烧热解4小时。第二步：FeP/CC复合材料的制备：将第一步制备的Fe3O4/CC和NaHPO2分别放置于两个瓷舟中，Fe与P的摩尔比为1∶20，然后将瓷舟放置于管式炉中，装有NaHPO2的瓷舟被放置在靠近通入气体的一端。随后，在静态氩气气氛下将样品在400℃加热3h，然后自然冷却到室温下。最终将获取的磷化铁/碳布通过裁片机裁切成直径19mm的圆片。对比例：第一步：Al2O3/CC复合材料的制备：将干燥的CC(直径：1/4英寸)置于原子层沉积系统(BeNY-TFS500)中，用于Al2O3沉积。以150℃的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池用复合材料的制备方法，具体步骤如下：第一步：四氧化三铁/碳布复合材料（ Fe3O4/CC复合材料）的制备：将质量百分比分别为20‑50%的Fe(NO3)3·9H2O和2.5‑10%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解在DMF中，然后通过在温度为70‑80℃的剧烈搅拌下制备混合溶液，然后在20℃下，用浸渍涂布法在碳布衬底上沉积溶液，并除去多余的溶液，最后将改性的碳布在600‑800℃的条件下空烧热解2‑4小时，得到Fe3O4/CC复合材料；第二步：磷化铁/碳布复合材料（FeP/CC复合材料）的制备：将第一步制备的Fe3O4/CC和NaHPO2分别放置于两个瓷舟中，Fe与P的摩尔比为1∶5‑20，然后将瓷舟放置于管式炉中，装有NaHPO2的瓷舟被放置在靠近通入气体的一端；随后，在氩气气氛下将Fe3O4/CC在300‑400℃加热2‑4h，然后自然冷却到室温下，得到磷化铁/碳布复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池用复合材料的制备方法，具体步骤如下：第一步：四氧化三铁/碳布复合材料（Fe3O4/CC复合材料）的制备：将质量百分比分别为20-50%的Fe(NO3)3·9H2O和2.5-10%的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解在DMF中，然后通过在温度为70-80℃的剧烈搅拌下制备混合溶液，然后在20℃下，用浸渍涂布法在碳布衬底上沉积溶液，并除去多余的溶液，最后将改性的碳布在600-800℃的条件下空烧热解2-4小时，得到Fe3O4/CC复合材料；第二步：磷化铁/碳布复合材料（FeP/CC复合材料）的制备：将第一步制备的Fe3O4/CC和NaHPO2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新，崔国梁，
申请(专利权)人：肇庆市华师大光电产业研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44