碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料及其制备方法以及在锂硫电池中的应用技术

本发明专利技术公开了碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料及其制备方法以及在锂硫电池中的应用，所述材料的化学式为W9Nb8N

【技术实现步骤摘要】
碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料及其制备方法以及在锂硫电池中的应用


[0001]本专利技术涉及功能材料
，具体是碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料及其制备方法以及在锂硫电池中的应用。

技术介绍

[0002]目前锂离子电池的能量密度普遍在100
‑
250Wh/kg之间，已经无法满足人们对美好生活的需要。电子设备、电动汽车的续航问题已经逐步显现，而锂硫电池(LSB)拥有高理论比容量(1675mAh/g)、高能量密度(2600Wh/kg)以及硫元素储量丰富被视为具有重要应用潜力的下一代高比能储能体系。尽管锂硫电池体系在电化学性能、环境友好以及成本上具有明显的优势，但实际上仍有一系列问题没有得到充分的解决，这也进一步阻碍了锂硫电池的商业化进程。锂硫电池中正极活性物质的硫，是离子和电子的绝缘体，其导电性很差，阻碍了电子的转移，使得氧化还原反应进行缓慢，导致的电化学性能的衰退；S和放电产物Li2S，二者的密度相差较大，对锂硫电池的安全性和耐用性产生负面影响；在充放电反应过程中，形成的可溶性长链多硫化物会溶于有机醚类电解液中，并在浓度梯度的作用下穿过隔膜在正负极之间来回穿梭，最后在负极侧被锂金属还原，并沉积在锂金属表面，这就是锂硫电池中的“穿梭效应”，穿梭效应会严重破坏硫的利用率导致电池库伦效率降低。因此，开发出能够有效缓解多硫化物穿梭效应的高导电材料对锂硫电池的应用发展尤为关键。
[0003]近几年来，各种载体材料，如碳材料、金属氧化物、金属硫化物等与硫复合是提高锂硫电池电化学性能的有效策略。其中，金属氮化物由于其良好的化学吸附性、超高的导电性以及较强的催化活性引起了研究人员的兴趣。由于N元素的引入，过渡金属d轨道电子密度增加，费米能级附近具有较大的态密度，从而使过渡金属氮化物具有类似于贵金属的电子结构和催化性能。除此之外，过渡金属氮化物还具有较高的电子导电性和反应高度可逆性，具有广阔的应用前景。例如文献“Conductive Mesoporous Niobium Nitride Microspheres/Nitrogen
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Doped Graphene Hybrid with Efficient Polysulfide Anchoring and Catalytic Conversion for High
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Performance Lithium
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Sulfur Batteries(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,3,2961
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2969)”制备了NbN微球并用于锂硫电池的硫正极载体材料，单一的NbN微球材料提供的吸附位点不足，提供的活性位点不足，不能有效吸附和锚定多硫化物，难以达到理想的效果。文献“To effectively drive the conversion of sulfur with electroactive niobium tungsten oxide microspheres for lithium
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sulfur battery(Nano Energy 77(2020)105173)”制备了铌钨氧化物(Nb
18
W
16
O
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)微球作为电活性基质，限制于氧化物较差的导电性，电化学反应阻力较大，导致电化学性能较差。
[0004]此外，对于合成柔性自支撑材料，目前通常采用静电纺丝法，如中国专利公开了一种锂硫电池自支撑正极材料及其电纺丝制备方法，申请号为201910735204.2，公开了通过将聚丙烯腈和聚甲基丙烯酸甲酯作为静电纺丝的前驱体，再通过静电纺丝的方法得到复合
纳米纤维膜，对静电纺丝纤维膜进行预氧化和碳化热处理，形成自支撑原位氮掺杂多孔碳纳米纤维结构。但是静电纺丝法需要在高电压条件下才能进行，具有一定的危险性，同时纺丝速率较慢，不适合大规模生产。
[0005]因此，进一步探索合成柔性自支撑材料的方法并优化其制备工艺，具有重要的研究和应用意义。

技术实现思路

[0006]针对现有工作采用静电纺丝法合成柔性自支撑材料时，需要在高电压条件下才能进行，高压条件具有一定的危险性，同时纺丝速率较慢，不适合大规模生产等缺点，本专利技术提供了一种碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料，通过钨铌三元氮化物负载在原位氮化生成的氮掺杂碳结构上，并将其应用于锂硫电池中，可有效抑制多硫化物的穿梭效应，并表现出优异的导电性和稳定性；且涉及的制备方法简单、操作方便，适合推广应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]本专利技术提供的碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料，所述材料的化学式为W9Nb8N
22
，它是以草酸铌、偏钨酸铵、N,N
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二甲基甲酰胺以及聚丙烯腈为主要原料通过喷气纺丝技术制备而成。
[0009]本专利技术的碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)向N,N
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二甲基甲酰胺溶液中，加入草酸铌和偏钨酸铵，在水浴锅中搅拌均匀至完全溶解，加入聚丙烯腈，直至混合溶液中无气泡，得到均匀的纳米线，即纺丝前驱体溶液；混合溶液中不能出现气泡，是为了防止在纺丝过程中由于气泡导致纺丝不均匀，从而得到不均匀的纳米线；
[0011](2)将得到的纺丝前驱体溶液转移到注射针管中，采用喷气纺丝设备进行喷气纺丝，得到一维纳米线；
[0012](3)将收集到的一维纳米线在空气气氛中进行煅烧，冷却，即得前驱体纳米线材料；
[0013](4)将收集到的前驱体材料在氨气气氛中进行煅烧，冷却，即得碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料。
[0014]优选地，本专利技术中所述步骤(1)中草酸铌和偏钨酸铵的摩尔比为8:9。
[0015]优选地，本专利技术中所述步骤(2)中喷气纺丝过程中气流速度为50
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70L/min，溶液推进速度为1
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2.5mL/h，接收器与针头之间的距离为20cm，气流加热为30℃。
[0016]优选地，本专利技术中所述步骤(3)中空气气氛中煅烧的温度为200℃，时间为3h，升温速率为1℃/min。
[0017]优选地，本专利技术中所述步骤(4)中氨气气氛中煅烧的温度为600
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800℃，时间为2
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3h，升温速率为3
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5℃/min。
[0018]优选地，本专利技术中所述步骤(2)中一维纳米线的平均直径大小为200nm。
[0019]本专利技术还提供了碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料在锂硫电池中的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0021](1)本专利技术的碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料中，多孔碳纳米纤维结构在适应硫体积膨胀的同时，提供了良好的电子传输网络通道，有利于锂离子和电子的快速传输，
提高了材料的导电性和反应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料，其特征在于：所述材料的化学式为W9Nb8N
22
，它是以草酸铌、偏钨酸铵、N,N
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二甲基甲酰胺以及聚丙烯腈为主要原料通过喷气纺丝技术制备而成。2.如权利要求1所述的碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)向N,N
‑
二甲基甲酰胺溶液中，加入草酸铌和偏钨酸铵，在水浴锅中搅拌均匀至完全溶解，加入聚丙烯腈，直至混合溶液中无气泡，得到均匀的纳米线，即纺丝前驱体溶液；(2)将得到的纺丝前驱体溶液转移到注射针管中，采用喷气纺丝设备进行喷气纺丝，得到一维纳米线；(3)将收集到的一维纳米线在空气气氛中进行煅烧，冷却，即得前驱体纳米线材料；(4)将收集到的前驱体材料在氨气气氛中进行煅烧，冷却，即得碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料。3.根据权利要求2所述的碳包覆一维柔性钨铌三元氮化物材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中草酸铌和偏钨酸铵的摩尔比为8:9。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，郑洋，罗荣杰，付继江，霍开富，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：