氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法技术

一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明专利技术首先采用水热方法制备Fe

In situ growth of iron nitride nanoparticles on reduced graphene oxide as modified membrane material for lithium sulfur battery and its preparation

【技术实现步骤摘要】
氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法。
技术介绍
开发利用化石能源所带来的环境污染和化石能源的快速消耗所导致的资源枯竭是人们亟待解决的问题，为此寻找新型能源已经成为大家的共识。锂离子电池由于其电压高、充放电寿命长、自放电小等优势被广泛应用于手机、电脑等便携式小型电器中。然而锂离子电池成本较高，而且受到嵌入-脱出反应机制的限制，电池的容量和比能量无法得到进一步提升。因此必须构建新型高能量密度的二次电池体系。锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg，约是锂离子电池的5倍。而且硫的地壳储量丰富、成本低廉、环境友好。因此，锂硫电池被认为是极具发展前景的下一代电池体系。但是在充放电过程中，锂硫电池的中间产物多硫化物(Li2Sx，4≤x≤8)溶解在电解液中，并在正负极之间来回迁移形成穿梭效应。同时在负极侧生成不可逆的Li2S沉积，造成活性物质利用率低，电池循环寿命差。为了克服这些问题，人们采取了许多措施，如设计硫载体、优化电解液体、对锂负极进行保护。此外，对隔膜进行修饰也可有效抑制多硫化物扩散到负极侧，提高活性物质利用率。本专利技术将氮化铁纳米颗粒(Fe2N)原位生长在还原氧化石墨烯片(rGO)上，制备了Fe2N/N-rGO复合材料，并将其首次应用在锂硫电池的隔膜修饰上，获得了优异的循环和倍率性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法，其步骤如下：1)制备Fe2N/N-rGO复合材料将200～250mg石墨烯分散于40～60mL的去离子水中，标记为A溶液；将180～220mg的九水硝酸铁和100～140mg的脲溶于15～30mL的去离子水中，搅拌均匀后逐滴加入到A溶液中；然后将得到的混合溶液在180～220℃条件下水热反应10～15小时，待降到室温后，将产物洗涤和冻干；最后，在氨气气氛下以1.5～3℃/min的升温速率加热至700～800℃，热处理2～4小时后得到Fe2N/N-rGO复合材料；2)Fe2N/N-rGO隔膜的制备将步骤1)得到的Fe2N/N-rGO复合材料和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比9～12：1溶于N-甲基吡咯烷酮中，混合均匀后涂覆在商业隔膜(Celgard2320)的一侧表面上，真空40～60℃下干燥10～15小时后用冲压机压成圆片，得到涂有Fe2N/N-rGO复合材料的隔膜，Fe2N/N-rGO的负载量为0.20～0.30mg/cm2；3)含Fe2N/N-rGO隔膜的锂硫电池的组装将单质硫、导电助剂(SuperP)和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比7：2：1混合后溶于N-甲基吡咯烷酮中，研磨均匀后涂覆在铝箔上，真空40～60℃下干燥10～15小时后用冲压机压成圆片作为正极，正极的硫负载量为1.5～1.7mg/cm2；锂片作为负极，将隔膜上涂有Fe2N/N-rGO复合材料的一侧面向正极组装半电池，从而得到本专利技术所述的将氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池。在本专利技术中，采用水热法生成了Fe2N/N-rGO复合材料，并将其首次应用于修饰锂硫电池的隔膜，使锂硫电池具有优异的电化学性能。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果：1)本制备原料价格低廉，成本低，环境友好。2)本制备方法对设备要求简单，重现性好，可用于工业上大规模生产。3)本专利技术所制备的产物具有优异的导电能力，较高的比表面积和稳定的结构，有极大的研究和开发的价值。4)本专利技术所制备的锂硫电池比容量高，循环性能稳定以及倍率性能良好。附图说明图1为实施例1和实施例2制备的材料的X-射线衍射(XRD)图谱。其中竖线为Fe2N的标准PDF卡片(No.89-3939)，曲线2为实施例2制备的N-rGO材料的XRD图谱，曲线1为实施例1制备的Fe2N/N-rGO复合材料的XRD图谱。对比得出，所制备的Fe2N/N-rGO复合材料的X-射线衍射(XRD)图谱出现了Fe2N和rGO两种物质的衍射峰。图2为实施例1制备的Fe2N/N-rGO复合材料的氮气吸/脱附的比表面积图，插图为材料孔径分布。由图可知，Fe2N/N-rGO复合材料的比表面积为298.1m2/g,孔径主要为5.45nm的介孔。图3为实施例1制备的Fe2N/N-rGO复合材料在不同放大倍数的扫描电镜图(SEM)。图(a)为2μm标尺下的扫描电镜(SEM)图。图(b)为1μm标尺下的(SEM)图，插图为50nm标尺下的SEM图。图(c-f)为2μm标尺下的扫描电镜图和碳、铁、氮元素分布图。图(g)为Fe2N/N-rGO隔膜在10μm标尺下的横截面SEM图。从扫描电镜图片可以看出大小约为50nm的Fe2N颗粒均匀的分布在石墨烯纳米片上，无明显团聚。涂覆在隔膜上的Fe2N/N-rGO复合材料厚度大约为10μm。图4为实施例1制备的涂有Fe2N/N-rGO复合材料的隔膜Celgard2320作为隔膜、硫片作为正极、锂片作为负极制作的半电池的前五圈循环伏安图(CV图)。在2.32V和2.05V有两个典型的还原峰，分别对应于单质硫先转化为中间相的长链多硫化物，后生成不溶性的Li2S/Li2S2。在随后的2.35V和2.40V的氧化峰对应于Li2S/Li2S2回到硫的两步反应。图中尖锐的氧化还原峰、小的极化电压和良好的重合性表明在含有Fe2N/N-rGO隔膜的锂硫电池中有着快速的反应动力学和稳定的电化学行为。图5为实施例1制备的涂有Fe2N/N-rGO复合材料的隔膜Celgard2320作为隔膜、硫片作为正极、锂片作为负极制作的半电池的循环性能图。从图中可看出，在0.2C(1C＝1675mAh/g)电流密度下活化3圈后，半电池在0.5C电流密度下首次放电比容量为1100mAh/g，经过200次循环之后，放电比容量仍可以达到891mAh/g，容量保持率为81％，平均每次循环衰减仅为0.095％，且库伦效率接近100％。这说明通过Fe2N/N-rGO隔膜抑制了穿梭效应，使电池具有较高的比容量和较好的循环稳定性。图6为实施例1制备的涂有Fe2N/N-rGO复合材料的隔膜Celgard2320作为隔膜、硫片作为正极、锂片作为负极制作的半电池的长循环性能图。从图中可以看出，在1C的大电流密度充放电测试下，经过300次循环，半电池的放电比容量仍能保持在734mAh/g，说明了通过Fe2N/N-rGO隔膜对多硫化物的物理阻碍和化学吸附作用，使电池具有较高的比容量和较好的循环稳定性。图7为实施例1制备的涂有Fe2N/N-rGO复合材料的隔膜Celgard2320作为隔膜、硫片作为正极、锂片作为负极制作的半电池的比容量倍率性能图。从图中可以看出，半电池在各个电流密度测试下循环稳定，而且在3C以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池的制备方法，其步骤如下：/n1)制备Fe

【技术特征摘要】
1.一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池的制备方法，其步骤如下：
1)制备Fe2N/N-rGO复合材料
将200～250mg石墨烯分散于40～60mL的去离子水中，标记为A溶液；将180～220mg的九水硝酸铁和100～140mg的脲溶于15～30mL的去离子水中，搅拌均匀后逐滴加入到A溶液中；然后将得到的混合溶液水热反应后降至室温，将产物洗涤和冻干；最后，在氨气气氛、700～800℃下热处理2～4小时后得到Fe2N/N-rGO复合材料；
2)Fe2N/N-rGO隔膜的制备
将步骤1)得到的Fe2N/N-rGO复合材料和粘结剂聚偏氟乙烯按质量比9～12：1溶于N-甲基吡咯烷酮中，混合均匀后涂覆在隔膜Celgard2320的一侧表面上，真空干燥后用冲压机压成圆片，得到Fe2N/N-rGO隔膜，隔膜上Fe2N/N-rGO的负载量为0.20～0.30mg/cm2；
3)含Fe2N/N-rGO隔膜的锂硫电池的组装
将单质硫、导电助剂和粘结剂聚偏氟乙烯混合后溶于N-甲基吡咯烷酮中，研磨均匀后涂覆在铝箔上，真空干燥后用冲压机压成圆片作为正极，正极的硫负载量为1.5～1.7mg/cm2；以锂片作为负极，然后将隔膜Celgard2320上涂有Fe2N/N-rGO复合材料的一侧面向正极组装半电池，从而得到氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬，岳惠娟，王欣，马晨辉，陈岗，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22