改性二氧化锰催化剂、功能性隔膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了改性二氧化锰催化剂、功能性隔膜及其制备方法和应用，涉及二次电池技术领域。通过在二氧化锰中掺杂磷和钼，利用磷元素和钼元素均匀分散在二氧化锰的纳米片上，能够为其吸附催化多硫化物提供了丰富的位点，实现了催化剂的高效吸附催化特性，能够显著增大对硫化锂的成核面积。利用磷、钼共掺杂二氧化锰催化剂应用于功能性隔膜的修饰，进一步应用于锂硫电池，阻碍其充放电过程中的严重的穿梭效应，因而表现出优异的电化学性能，为锂硫电池探索高效催化剂的进一步发展提供了理论基础和技术支撑。和技术支撑。和技术支撑。

【技术实现步骤摘要】
改性二氧化锰催化剂、功能性隔膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及二次电池
，具体而言，涉及改性二氧化锰催化剂、功能性隔膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着碳中和的提出，新能源发展作为新时代发展的重要战略目标已经受到世界各国的高度关注。动力电池及储能系统作为灵活调节枢纽在新型电力系统中承担重要作用。其中，新能源汽车的发展极具迅猛，并逐渐取代燃油汽车。目前，电动汽车主要以锂离子电池为主，其中正极材料主要为磷酸铁锂、三元锰钴镍等物质，但其理论比容量偏低大约都低于250安时/千克，这将导致短的续航里程问题。此外，上述锂离子电池正极材料价格偏高，致使无法满足长期的大规模使用。因此，探索高能量密度、低成本、高安全性的电池体系至关重要。
[0003]锂硫电池体系因其众多优点而被誉为下一代最具潜力的储能体系之一。比如，极高的理论比容量1650安时/千克和超高的能量密度2600瓦时/千克、正极材料硫分布广泛因而价格便宜、单质硫基本无污染，环境友好。因此，先进的二次锂硫电池体系的发展对于破解现如今锂离子电池所面临的困境是一个重要的契机，具有重要意义。
[0004]虽然锂硫电池存在众多的优点，但也存在以下问题：正极硫和产物硫化锂电导率低，反应过程中多硫化锂存在穿梭效应、锂负极的枝晶等问题。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种改性二氧化锰催化剂及其制备方法，旨在提供一种锂硫电池高效催化剂，增大对硫化锂的成核面积。
[0007]本专利技术的另一目的在于提供一种功能性隔膜及其制备方法和应用，旨在显著减弱锂硫电池充放电过程中的穿梭效应，提高电化学性能。
[0008]本专利技术是这样实现的：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种改性二氧化锰催化剂，包括二氧化锰材料，在二氧化锰材料中掺杂有磷和钼。
[0010]在可选的实施方式中，在二氧化锰材料中，磷的掺杂量为4％
‑
5％，钼的掺杂量为1％
‑
2％；
[0011]优选地，二氧化锰材料为纳米片状，粒径为200nm～250nm。
[0012]第二方面，本专利技术提供一种前述实施方式中改性二氧化锰催化剂的制备方法，包括：在二氧化锰上分别掺杂磷和钼。
[0013]在可选的实施方式中，包括：将钼掺杂二氧化锰进行掺杂磷处理；其中，掺杂磷处理是在含磷的分解气氛下进行热处理；
[0014]优选地，制备方法包括：将亚磷酸氢二钠分解后的气体与钼掺杂二氧化锰进行热
处理，控制亚磷酸氢二钠与钼掺杂二氧化锰的质量比为8
‑
12:1
‑
2，控制热处理温度为160℃～260℃，处理时间为2h以上；
[0015]更优选地，控制热处理温度为200℃～220℃，处理时间为2h～3h；
[0016]更优选地，在进行热处理时，控制升温速率为4℃/min～5℃/min。
[0017]在可选的实施方式中，将亚磷酸氢二钠在400℃～500℃的条件下保温1h以上，将得到的分解气体与钼掺杂二氧化锰混合；
[0018]优选地，亚磷酸氢二钠的分解温度为400℃～420℃，保温时间为1h～2h；
[0019]优选地，亚磷酸氢二钠进行分解反应时，控制升温速率为1℃/min～5℃/min，更优选为3℃/min～4℃/min。
[0020]在可选的实施方式中，将亚磷酸氢二钠置于前端炉体中，将钼掺杂二氧化锰置于后端炉体中，前端炉体和后端炉体通过管路连通；
[0021]优选地，前端炉体和后端炉体均通入惰性气体进行保护；
[0022]优选地，惰性气体选自氮气和氩气中的至少一种；更优选为氮气；
[0023]优选地，在进行反应之前，在前端炉体和后端炉体中均进行抽真空并补充惰性气体3次～5次；
[0024]优选地，待后端炉体中的物料反应完成后，取出样品研磨备用。
[0025]在可选的实施方式中，钼掺杂二氧化锰的制备过程包括：将高锰酸钾、锰盐和钼源混合溶解后进行水热反应；
[0026]优选地，水热反应是在150℃～170℃的条件下反应10h～20h；
[0027]优选地，锰盐为硫酸锰，钼源为钼酸铵；
[0028]优选地，将高锰酸钾、锰盐和钼源溶解于水中，高锰酸钾、锰盐和钼源的摩尔比为6.0
‑
6.3:0.9
‑
1.1:0.05
‑
0.1；
[0029]优选地，钼掺杂二氧化锰的制备过程还包括：将水热反应后的物料进行固液分离，将得到的固体物料依次进行洗涤和干燥；
[0030]更优选地，洗涤是先进行多次水洗再利用有机溶剂进行多次洗涤；进一步优选地，水洗次数为5次～8次，有机溶剂为乙醇，乙醇洗涤次数为3次～5次；
[0031]更优选地，干燥是在60℃～80℃的条件下真空干燥12h～24h。
[0032]第三方面，本专利技术提供一种功能性隔膜，包括隔膜基材和涂覆于隔膜基材上的改性涂层；
[0033]其中，改性涂层中含有前述实施方式中任一项的改性二氧化锰催化剂或前述实施方式中任一项制备方法制备得到的改性二氧化锰催化剂；
[0034]优选地，改性涂层中还含有导电碳；
[0035]优选地，隔膜基材为聚丙烯隔膜；
[0036]优选地，改性二氧化锰催化剂在功能性隔膜中的质量分数为68
‑
72％，导电碳在功能性隔膜中的质量分数为17
‑
23％。
[0037]第四方面，本专利技术提供一种前述实施方式功能性隔膜的制备方法，包括：在隔膜基材上形成改性涂层；
[0038]优选地，制备方法包括：将改性二氧化锰催化剂和导电碳混合研磨后得到混合物，将混合物与分散剂和粘结剂混合得到浆料，将浆料涂敷于隔膜基材上，干燥；
[0039]更优选地，分散剂选自氮甲基吡咯烷酮和水中的至少一种；
[0040]更优选地，粘结剂选自聚偏二氟乙烯和LA133中的至少一种；
[0041]更优选地，将改性二氧化锰催化剂和导电碳混合研磨20min～40min后得到混合物，将混合物先与分散剂混合均匀，再与粘结剂混合均匀得到浆料，将浆料涂覆于聚丙烯隔膜上，在50℃～70℃的条件下干燥10h～15h。
[0042]第五方面，本专利技术提供一种锂硫电池，包括前述实施方式的功能性隔膜或前述实施方式制备方法制备得到的功能性隔膜；
[0043]优选地，锂硫电池还包括硫碳复合正极、负极和电解液；
[0044]更优选地，负极为锂片；
[0045]更优选地，硫碳复合正极是由碳复合升华硫粉得到。
[0046]本专利技术具有以下有益效果：通过在二氧化锰中掺杂磷和钼，利用磷元素和钼元素均匀分散在二氧化锰的纳米片上，能够为其吸附催化多硫化物提供了丰富的位点，实现了催化剂的高效吸附催化特性，能够显著增大对硫化锂的成核面积。利用磷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性二氧化锰催化剂，其特征在于，包括二氧化锰材料，在所述二氧化锰材料中掺杂有磷和钼。2.根据权利要求1所述的改性二氧化锰催化剂，其特征在于，在所述二氧化锰材料中，磷的掺杂量为4％～5％，钼的掺杂量为1％
‑
2％；优选地，所述二氧化锰材料为纳米片状，粒径为200nm～250nm。3.一种权利要求1或2中所述改性二氧化锰催化剂的制备方法，其特征在于，包括：在二氧化锰上分别掺杂磷和钼。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，包括：将钼掺杂二氧化锰进行掺杂磷处理；其中，所述掺杂磷处理是在含磷的分解气氛下进行热处理；优选地，所述制备方法包括：将亚磷酸氢二钠分解后的气体与所述钼掺杂二氧化锰进行热处理，控制所述亚磷酸氢二钠与所述钼掺杂二氧化锰的质量比为8
‑
12:1
‑
2，热处理温度为160℃～260℃，处理时间为2h以上；更优选地，控制热处理温度为200℃～220℃，处理时间为2h～3h；更优选地，在进行所述热处理时，控制升温速率为4℃/min～5℃/min。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，将所述亚磷酸氢二钠在400℃～500℃的条件下保温1h以上，将得到的分解气体与所述钼掺杂二氧化锰混合；优选地，所述亚磷酸氢二钠的分解温度为400℃～420℃，保温时间为1h～2h；优选地，所述亚磷酸氢二钠进行分解反应时，控制升温速率为1℃/min～5℃/min，更优选为3℃/min～4℃/min。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，将所述亚磷酸氢二钠置于前端炉体中，将所述钼掺杂二氧化锰置于后端炉体中，所述前端炉体和所述后端炉体通过管路连通；优选地，所述前端炉体和所述后端炉体均通入惰性气体进行保护；优选地，所述惰性气体选自氮气和氩气中的至少一种；更优选为氮气；优选地，在进行反应之前，在所述前端炉体和所述后端炉体中均进行抽真空并补充惰性气体3次～5次；优选地，待所述后端炉体中的物料反应完成后，取出样品研磨备用。7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，钼掺杂二氧化锰的制备过程包括：将高锰酸钾、锰盐和钼源混合溶解后进行水热反应；优选地，所述水热反应是在150℃～170℃的条件下反应10h～20h；优选地，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：许冠南，江庆斌，徐惠芳，
申请(专利权)人：澳门大学，
类型：发明
国别省市：