一种锂硫电池用纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池用纳米复合材料及其制备方法和应用，属于电池材料技术领域。锂硫电池用纳米复合材料，所述锂硫电池用纳米复合材料具有由若干纳米纤维交织成的网状结构，所述纳米纤维具有多纳米孔的管壳层，所述管壳层为空心纳米碳氮管，所述管壳层的内部为纳米线，所述纳米线为碳负载过渡金属碳化物，所述管壳层和所述纳米线之间具有用于容纳硫的空腔。本发明专利技术材料制备得到的锂硫电池，具有高于1300mAh

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池用纳米复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电池材料
，更具体地，涉及一种锂硫电池用纳米复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]化学电池又称为化学电源，是把化学反应产生的能量直接转变为电能的装置。随着科学技术的进步和社会的飞速发展，人们对化学电源的需求日益增大。
[0003]锂硫电池是锂电池的一种。锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到1675mAh/g和2600Wh/kg，远远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池的容量(<150mAh/g)。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池。
[0004]尽管锂硫电池具有高能量密度的巨大优势，但是锂硫电池同样存在一些问题亟待解决。锂硫电池的商业化应用受限，主要由于存在以下问题：
[0005]S1.单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低，放电反应的最终产物Li2S和Li2S2也是电子绝缘体，导电性差，因而活性物质的利用率低、倍率性能不佳；
[0006]S2.充放电过程中的中间产物，可溶性多硫化物，溶解于电解液，在正负极之间往返运动，形成所谓的穿梭效应造成容量的衰减；
[0007]S3.单质硫放电完全生成Li2S时，体积膨胀达到80％，极易引起正极材料结构的坍塌，降低材料的循环稳定性。
[0008]为了解决上述锂硫电池的容量衰减快的问题，现有技术公开了一种纳米碳纤维复合材料，其将芯溶液分成三份，并在每份芯溶液中加入一种过渡金属乙酸盐，并与壳溶液进行静电纺丝，制备得到的纳米碳纤维复合材料具有三通道芯
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壳结构，三通道空心碳纤维管内填充有过渡金属碳化物，提高了锂硫电池的比容量和首次库伦效率。然而，其并没有针对锂硫电池的循环容量保持率的提高做出相关改善。

技术实现思路

[0009]本专利技术要解决的技术问题是克服现有纳米碳纤维复合材料无法提高锂硫电池的循环容量保持率的缺陷和不足，提供一种锂硫电池用纳米复合材料，有效结合了金属碳化物锚定催化和碳壳层导电网络及物理限域的优势，对多硫化物具有多位点的吸附和催化作用，可用作锂硫电池的正极载体和正极侧夹层，并能表现出高容量和长循环稳定性。
[0010]本专利技术的另一目的在于提供一种锂硫电池用纳米复合材料的制备方法。
[0011]本专利技术的又一目的在于提供一种锂硫电池正极片。
[0012]本专利技术的又一目的在于提供一种锂硫电池正极侧夹层。
[0013]本专利技术的又一目的在于提供一种锂硫电池。
[0014]本专利技术上述目的通过以下技术方案实现：
[0015]一种锂硫电池用纳米复合材料，所述锂硫电池用纳米复合材料具有由若干纳米纤维交织成的网状结构，所述纳米纤维具有多纳米孔的管壳层，所述管壳层为空心纳米碳氮管，所述管壳层的内部为纳米线，所述纳米线为碳负载过渡金属碳化物，所述管壳层和所述纳米线之间具有用于容纳硫的空腔。
[0016]本专利技术的锂硫电池用纳米复合材料，呈纳米线状的碳负载过渡金属碳化物能够加强对多硫化物的强化学吸附及催化作用，改善反应动力学；管壳层和纳米线之间的空腔可以存储大量的硫，又可容纳硫的体积变化，起到限域作用抑制硫化物的溶解和穿梭效应的作用。具有多纳米孔的管壳层，对硫起到物理封装作用，而且管壳层为空心纳米碳氮管具有导电性，能够保证复合材料在电极内部的良好电接触，提高了含硫复合材料用作锂硫电池正极时的电化学性能。本专利技术的碳硫复合材料有效结合了金属碳化物锚定催化和碳壳层导电网络及物理限域的优势，对多硫化物具有多位点的吸附和催化作用，可用作锂硫电池负载硫单质的正极载体和抑制多硫化物穿梭正极侧夹层，并能表现出高容量和长循环稳定性。
[0017]优选地，所述纳米线为碳化铁、碳化钴、碳化钼、碳化镍或碳化锰中的一种或多种。
[0018]进一步优选地，所述纳米线为碳化铁、碳化钴或碳化镍中的一种或多种。
[0019]优选地，所述纳米线的直径小于100nm。
[0020]优选地，所述纳米纤维的直径为100nm～700nm，所述管壳层厚度为20～80nm。
[0021]本专利技术还保护上述所述锂硫电池用纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0022]S1.分别配置壳层碳氮源溶液、外芯层碳源溶液和内芯层碳氮源溶液，并在内芯层碳氮源溶液中添加含碳过渡金属盐；
[0023]S2.将壳层碳氮源溶液、外芯层碳源溶液和内芯层碳氮源溶液三层同轴静电纺丝；
[0024]S3.将S2中材料预氧化，在非氧化性气氛下碳化，得到锂硫电池用纳米复合材料；
[0025]其中，S1中，壳层碳氮源分子量和内芯层碳氮源的分子量均大于外芯层碳源的分子量，外芯层碳源的分子量为5000～10000；
[0026]含碳过渡金属盐与内芯层碳氮源的质量和与含碳过渡金属盐的质量比为100：(5～20)；
[0027]S2中，壳层碳氮源溶液、外芯层碳源溶液和内芯层碳氮源溶液的出液量比例为1:(1.5～2):1；
[0028]S3中，预氧化温度为220～310℃，预氧化时间为1～6h；碳化温度为600～1000℃，碳化时间为2～6h。
[0029]本专利技术通过三层同轴静电纺丝法，以较大大分子量的碳氮源制备壳层溶液和内芯层溶液，以较小分子量的碳源作为外芯层溶液，将含碳过渡金属盐分散于内芯层碳氮源溶液中，经过三层同轴静电纺丝后，形成具有核壳结构的复合型纤维；经过预氧化和碳化处理，碳化烧结过程材料收缩成形过程中形成的纳米孔，得到金属碳化物锚定的导电碳轴的芯
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壳管轴状纳米纤维，纳米纤维交织成网状形成锂硫电池用纳米复合材料。本专利技术方法制备得到的锂硫电池用纳米复合材料能够对多硫化物具有多位点的吸附和催化作用，可用作锂硫电池中正极载体和中间层，并能表现出高容量和长循环稳定性。
[0030]优选地，S1中，外芯层碳源为聚甲基丙烯酸甲酯、聚(二氟乙烯)或聚乳酸的一种或
几种。
[0031]优选地，S2中，壳层碳氮源溶液、外芯层碳源溶液和内芯层碳氮源溶液的出液量比例为1:2:1。
[0032]优选地，S1中，壳层碳氮源为聚丙烯腈、聚丙烯酰胺或聚酰亚胺的一种或几种。
[0033]优选地，壳层碳氮源的分子量为8万～15万。
[0034]更进一步优选地，壳层碳氮源的分子量为12万～15万。
[0035]优选地，壳层碳氮源的质量浓度为45％～85％。
[0036]更进一步优选地，壳层碳氮源的质量浓度为55％～85％。
[0037]优选地，内芯层碳氮源为聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚酰亚胺的一种或几种。
[0038]优选地，内芯层碳氮源的分子量为8～15万。
[0039]更进一步优选地，内芯层碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池用纳米复合材料，其特征在于，所述锂硫电池用纳米复合材料具有由若干纳米纤维交织成的网状结构，所述纳米纤维具有多纳米孔的管壳层，所述管壳层为空心纳米碳氮管，所述管壳层的内部为纳米线，所述纳米线为碳负载过渡金属碳化物，所述管壳层和所述纳米线之间具有用于容纳硫的空腔。2.如权利要求1所述锂硫电池用纳米复合材料，其特征在于，所述纳米线为碳化铁、碳化钴、碳化钼、碳化镍或碳化锰中的一种或多种。3.如权利要求1所述锂硫电池用纳米复合材料，其特征在于，所述纳米线的直径小于100nm。4.权利要求1～3任一项所述锂硫电池用纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.分别配置壳层碳氮源溶液、外芯层碳源溶液和内芯层碳氮源溶液，并在内芯层碳氮源溶液中添加含碳过渡金属盐；S2.将壳层碳氮源溶液、外芯层碳源溶液和内芯层碳氮源溶液三层同轴静电纺丝；S3.将S2中材料预氧化，在非氧化性气氛下碳化，得到锂硫电池用纳米复合材料；其中，S1中，壳层碳氮源分子量和内芯层碳氮源的分子量均大于外芯层碳源的分子量，外芯层碳源的分子量为5000～10000；含碳过渡金属盐与内芯层碳氮源的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘全兵，刘桂峥，李可可，刘照晖，石凯祥，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：