一种保护锂金属负极的材料及其制备方法与用途技术

本发明专利技术公开了一种保护锂金属负极的材料及其制备方法与用途，本发明专利技术以廉价三聚氰胺和乙酸钴为原料，结合在N2氛围高温烧结技术，得到具有良好电化学性能的能保护锂金属负极的材料，该材料作为锂氧电池隔膜，在电流密度100mA g

【技术实现步骤摘要】
一种保护锂金属负极的材料及其制备方法与用途


[0001]本专利技术属于锂电池
，具体涉及一种保护锂金属负极的材料及其制备方法与用途。

技术介绍

[0002]全球超过70％的能源需求是由石油、天然气等化石能源支撑，过度消耗化石能源会带来严重的全球变暖和空气污染问题，地球科学文明的延续需要我们现在做出努力，新能源研发成为全世界的迫切需求，锂离子电池通过400Wh kg
‑1的理论能量密度以及安全稳定的性能而被人们所接受，已走向商业化的锂离子电池正带领着电动汽车行业的崛起，但锂离子电池的能量密度不能满足人类的全部需求。在追寻比锂离子电池更高的能量密度和更长的使用寿命的路上，人们发现了非水锂氧电池有着超乎想象的理论比能量3500Whkg
‑1，拥有着成本低、环境友好的优点。人类对于锂氧电池商业化有着美好的憧憬，但是电池阴极的反应产物过氧化锂(Li2O2)的产生会阻碍电子转移与离子扩散，更会加剧过电压增大，是研究锂氧电池无法忽略的问题，人们最先提出固体催化剂，包括碳基材料、过渡金属化合物和贵金属，然而，传统固体催化剂有一些棘手的挑战，如原材料成本高、合成复杂、重金属污染，以及催化剂本身与过氧化锂固
‑
固接触不良，电解质加剧降解等问题。
[0003]为了实现Li2O2可逆生成/分解，并消除不必要的副反应，近年来可溶性氧化还原介质(RMs)在改善反应动力、提高电池容量方面表现出优异的性能，比如碘化锂、四六硫胺素、2,2,6,6，
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四甲基哌啶基氧基、甲基吩噻嗪等，在充电过程中优先在阴极表面电化学氧化为RM
+
，然后电解液中的RM
+
与Li2O2接触，为之提供电子空穴将它氧化分解，这一过程可以大幅降低充电电位，2,2,6,6,
‑
四甲基哌啶基氧基(TEMPO)提供了一个明显降低500mV的充电电位，使循环性能提高一倍。降低过电位，可以增加电池容量及寿命，然而研究人员为了解决过氧化锂这一绝缘体的分解而引入的可溶性氧化还原介质会引起另一问题，电解液会浸润电池内部，而电解液中的RM就会随着电解液的湿润到达锂金属阳极，这就意味着RMs会在阴极进行参与Li2O2反应，电解液也会透过隔膜穿梭至锂金属阳极，电解液与锂金属阳极自发发生副反应引起锂片表面腐蚀，与锂金属的不可逆反应还会引起到达阳极侧的RMs失效，进而失去ORR或OER性能，使其无法发挥添加RMs后该有的性能。目前，针对抑制氧化还原介质穿梭保护锂金属负极的处理工艺较为复杂，不适用于大规模生产利用。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是针对现有技术，提供一种保护锂金属负极的材料及其制备方法与用途，该技术成本低、工艺简单、适用规模化生产。
[0005]本专利技术解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种保护锂金属负极的材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0006]1)称取一定量的三聚氰胺和乙酸钴加入到二甲基亚砜中，搅拌，离心去除上清液，将固体用酒精和水清洗三次后进行真空冷冻干燥，得到黄色固体；
[0007]2)将上述黄色固体转移至管式炉中，在氮气环境下以每分钟4℃的升温速率升至650～800℃进行高温烧结，保温4小时；然后将所得黄色固体研磨成细粉后加入1.0mol/L盐酸，进行溶解形成悬浊液，随后离心清洗三次去除游离的钴离子，然后加水不断进行清洗，直到洗液的pH为7，将清洗后的粉末烘干，得到黄色钴掺杂氮化碳粉末；
[0008]3)将上述所制得的钴掺杂氮化碳粉末与聚偏二氟乙烯以9:1的质量比例加入至N
‑
甲基吡咯烷酮试剂中制成悬浊液，超声1h，每次取5～10mL悬浊液真空抽滤至玻璃纤维隔膜上，在70℃下真空烘干12h；最终裁剪成直径为19mm的载有钴掺杂氮化碳的隔膜，即为所述的一种保护锂金属负极的材料。
[0009]进一步的，本专利技术还提供了所述的材料的用途，该材料作为锂氧电池隔膜，用于防止锂金属负极被腐蚀，在电流密度为100mA g
‑1和容量为500mAh g
‑1条件下，锂氧电池能稳定循环160圈，使用寿命达到1600h。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的特点如下：
[0011]本专利技术中氮化碳具有与石墨相似的结构，由连续的三
‑
s
‑
三嗪单元和每层的氨基组成，氮掺杂程度高可以提供足够活性位点的独特带隙，结构框架中氮原子能与金属位点配合活化催化，钴元素可以被纳入氮化碳框架而不破坏氮化碳宿主。在钴掺杂氮化碳化合物中Co
‑
C键的键长为1.97和1.98，特定的键长使化合物具有特定的稳定性和特定的电化学性能。在650℃下制备的氮化碳具有最高的电流密度，重复性和超稳定性以及拥有大比表面积，氮化碳的填充密度使层间结合更紧密，拥有更令人满意的垂直平面的电荷传输速率。综上所述，通过氮化碳特有的二维网状结构与金属钴的掺杂极大抑制氧化还原介质TEMPO的寄生反应，保证TEMPO在阴极侧与Li2O2充分持久反应；将所制备的材料作为锂氧电池的隔膜，用于防止锂金属负极被腐蚀，在电流密度100mA g
‑1条件下，锂氧电池能稳定循环160圈，使用寿命达到1600h。
附图说明
[0012]图1为本专利技术实施例1所制得的钴掺杂氮化碳的微观结构示意图；
[0013]图2为本专利技术实施例1所制得的钴掺杂氮化碳粉末的XRD图；
[0014]图3为本专利技术实施例1所制得的钴掺杂氮化碳粉末的SEM图；
[0015]图4为本专利技术实施例1所制得隔膜，其作为锂氧电池的隔膜，在电流密度为100mA g
‑1和容量为500mAh g
‑1条件下，锂氧电池的充放电循环图。
具体实施方式
[0016]以下结合实施例对本专利技术作进一步详细描述。
[0017]实施例1
[0018]将11g的三聚氰胺和0.15g乙酸钴加入至250mL二甲基亚砜试剂中，剧烈搅拌24h后离心去除上清液，将固体用酒精和水清洗三次后进行真空冷冻干燥，得到黄色固体；将上述黄色固体转移至管式炉中，在N2下以4℃/分钟的升温速率升至650℃进行高温烧结，保温4h；然后将黄色固体研磨成细粉后加入1.0mol/L盐酸，进行溶解形成悬浊液，随后离心清洗三次去除游离的钴离子；然后加水不断进行清洗，直到洗液的pH为7，将清洗后的粉末在60℃下干燥，得到黄色钴掺杂氮化碳粉末(钴掺杂氮化碳的微观结构示意图如图1所示，钴离
子嵌入到氮化碳的结构中，形成稳定的钴掺杂氮化碳化合物)。将上述所制得的钴掺杂氮化碳粉末与聚偏二氟乙烯以9：1的质量比例加入至N
‑
甲基吡咯烷酮中制成悬浊液，超声1h，取5mL悬浊液真空抽滤至玻璃纤维隔膜上，在70℃下真空烘干12h；最终裁剪成直径为19mm的载有钴掺杂氮化碳的隔膜，即为所述的一种保护锂金属负极的材料。
[0019]将得到的钴掺杂氮化碳粉末进行X射线衍射分析(XRD)，测试材料组成结构本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种保护锂金属负极的材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)称取一定量的三聚氰胺和乙酸钴加入到二甲基亚砜中，搅拌，离心去除上清液，将固体用酒精和水清洗三次后进行真空冷冻干燥，得到黄色固体；2)将上述黄色固体转移至管式炉中，在氮气环境下以每分钟4℃的升温速率升至650～800℃进行高温烧结，保温4h；然后将所得黄色固体进行研磨，研磨成细粉后加入1.0mol/L盐酸，进行溶解形成悬浊液，随后离心清洗三次去除游离的钴离子，然后加水不断进行清洗，直到洗液的pH为7，将清洗后的粉末烘干，得到黄色钴掺杂氮化碳粉末；3)将上述所制得的钴掺杂氮化碳粉末与聚偏二...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛星，樊遵浩，李星，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：