氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用制造技术

本发明专利技术属于纳米材料和锂硫电池领域，公开了一种氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用。本发明专利技术首先将Pluronic F

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用


[0001]本专利技术属于纳米材料和锂硫电池领域，特别涉及一种氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用。

技术介绍

[0002]随着全球能源需求量的日益增长和化石能源的逐渐枯竭，人类迫切需要对清洁能源如风能、太阳能和地热能等进行开发利用。然而，当光电、风电并入现有电网的占比超过10％后会对局部电网产生明显冲击，因此研究和发展高效安全的蓄电储能技术是大规模、高效使用这些能源的关键。相比于目前应用的铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池储能体系，锂硫电池以其高比能量(2600W
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h/kg)、原料廉价、环境友好等优点，被认为是一类继锂离子电池之后具有极大发展潜力的高容量储能体系。
[0003]然而，锂硫电池发展至今尚未实现规模上的实际应用，主要归因于锂硫电池面临的几大挑战。主要包括1.充放电过程中单质硫及其多硫化物的绝缘性和体积膨胀(～80％)；2.充放电过程中，中间产物多硫化物可溶于有机电解液，充电过程中会迁移至负极和不稳定的锂金属表面发生自放电反应，生成物回到正极被氧化，如此反复，形成穿梭效应，导致活性物质利用率降低，造成电池容量损失和循环性能下降。同时，金属锂作为负极一直存在的表面不稳定和枝晶问题，易引发热失控及短路爆炸等安全问题，也制约了锂硫电池的推广和应用。
[0004]近年来，大量研究工作致力于改善锂硫电池的性能以实现锂硫电池的实际应用。其中，隔膜作为锂硫电池体系中的重要组件部分之一，其性能的优劣直接影响到锂硫电池的电化学性能，成为研究重点之一。主要研究途径包括寻找新型隔膜和修饰现有商业隔膜。而与寻求一种新型分离器相比，修饰商业隔膜具有操作简单、实用的优点，因此对商用分离器的改性得到了更广泛的研究。纳米碳材料作为一类优异的隔膜修饰材料具有良好的导电性，同时可以在锂硫电池充放电过程中物理锚定多硫化物，从而有效提高锂硫电池的循环稳定性。然而，非极性碳材料与极性多硫化物之间的亲和力差，不足以有效抑制多硫化物在循环过程中的穿梭效应。因此探索具有优良导电性、强锚固力、加速多硫化物相互转换和快速Li
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扩散速率等优点的改性分离器是一种有效提高锂硫电池的电化学性能、实现锂硫电池实际应用的有效途径。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用。
[0006]本专利技术的目的通过下述方案实现：
[0007]氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用。
[0008]所述的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料由以下方法制备得到：
[0009](1)制备钴锌和双氰胺复合物：首先将Pluronic F
‑
127溶解于水中，再加入双氰胺搅拌直至完全溶解，然后加入可溶性正二价钴盐、正二价锌盐后继续搅拌过夜，再将所得溶液蒸干水分并干燥即得到钴锌和双氰胺复合物；
[0010](2)制备氮掺杂碳包覆碳化钴锌复合材料：将步骤(1)所得固体钴锌和双氰胺复合物置于瓷舟中，然后在N2气氛下进行高温碳化，反应完成即得氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料。
[0011]步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐为Co(NO3)
2 6H2O、CoCl
2 6H2O、Co(CH3COO)
2 4H2O中的至少一种，优选为Co(NO3)26H2O；所述的正二价锌盐为Zn(NO3)
2 6H2O、ZnCl2、Zn(CH3COO)
2 2H2O中的至少一种，优选为Zn(NO3)
2 6H2O；
[0012]步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比为1：1
‑
3，优选为1:3。
[0013]步骤(1)中所述的Pluronic F
‑
127和双氰胺的质量比为1：1
‑
3，优选为1:2。
[0014]步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的用量与双氰胺的用量满足：可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔量和与双氰胺的摩尔量的比值为1：13.2
‑
17.7，优选为1:13.2。
[0015]步骤(1)中所述的将所得溶液蒸干水分并干燥是指在80℃的油浴锅中蒸干水分，然后在60～80℃的烘箱中干燥过夜；油浴锅以及烘箱温度均优选为80℃。
[0016]步骤(1)中所述的水只是作为反应介质，因此其用量只需要其可以完全溶解所加入的Pluronic F
‑
127、双氰胺以及可溶性正二价钴盐和正二价锌盐即可。
[0017]步骤(2)中所述的高温碳化是指在600
‑
800℃保温1
‑
3h；优选为在700℃保温1
‑
3h。
[0018]步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比以及步骤(2)中所述的高温碳化均会影响最终产物的组成。
[0019]优选的，当步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比为1:3，步骤(2)中所述的高温煅烧是指在700℃保温1h时，所得到的产物为氮掺杂碳包覆Co3ZnC复合材料；
[0020]优选的，当步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比为1:3，步骤(2)中所述的高温煅烧是指在700℃保温2
‑
3h时，所得到的产物为氮掺杂碳包覆Co/Co3ZnC复合材料；
[0021]优选的，当步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比为1:3，步骤(2)中所述的高温煅烧是指在800℃保温2
‑
3h时，所得到的产物为氮掺杂碳包覆Co复合材料；
[0022]优选的，当步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比为1:2
‑
2.5，步骤(2)中所述的高温煅烧是指在700℃保温1
‑
3h时，所得到的产物为氮掺杂碳包覆Co/Co3ZnC复合材料；
[0023]优选的，当步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比为1:2
‑
2.5，步骤(2)中所述的高温煅烧是指在800℃保温2h时，所得到的产物为氮掺杂碳包覆Co复合材料。
[0024]一种锂硫电池隔膜，其由以下方法制备得到：将上述方法制备得到的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料、导电剂以及粘结剂在溶剂中研磨混合均匀，然后将所得浆体通过刮刀法均匀涂覆在商用隔膜上，干燥后即形成锂硫电池隔膜。相比于传统商用隔膜，修饰
后的隔膜大大提升了锂硫电池的循环稳定性。
[0025]所述的导电剂优选为导电剂super P；所述的粘结剂优选为PVDF；所述的溶剂优选为N
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甲基吡咯烷酮(NMP)。
[0026]所述的氮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用。2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用，其特征在于所述的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料由以下方法制备得到：(1)制备钴锌和双氰胺复合物：首先将Pluronic F
‑
127溶解于水中，再加入双氰胺搅拌直至完全溶解，然后加入可溶性正二价钴盐、正二价锌盐后继续搅拌过夜，再将所得溶液蒸干水分并干燥即得到钴锌和双氰胺复合物；(2)制备Co3ZnC@NC：将步骤(1)所得固体钴锌和双氰胺复合物置于瓷舟中，然后在N2气氛下进行高温碳化，反应完成即得氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料。3.根据权利要求2所述的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用，其特征在于：步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐为Co(NO3)
2 6H2O、CoCl
2 6H2O、Co(CH3COO)
2 4H2O中的至少一种；所述的正二价锌盐为Zn(NO3)
2 6H2O、ZnCl2、Zn(CH3COO)
2 2H2O中的至少一种。4.根据权利要求2所述的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用，其特征在于：步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐为Co(NO3)
2 6H2O；所述的正二价锌盐为Zn(NO3)
2 6H2O。5.根据权利要求2所述的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3ZnC复合材料在制备锂硫电池隔膜中的应用，其特征在于：步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔比为1：1
‑
3；步骤(1)中所述的Pluronic F
‑
127和双氰胺的质量比为1：1
‑
3；步骤(1)中所述的可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的用量与双氰胺的用量满足：可溶性正二价钴盐和正二价锌盐的摩尔量和与双氰胺的摩尔量的比值为1：13.2
‑
17.7。6.根据权利要求2所述的氮掺杂碳包覆Co和/或Co3...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡欣，王梦蕊，周训富，方岳平，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：