不同形貌的聚丙烯腈修饰材料的制备及其在锂硫电池中的应用制造技术

本发明专利技术涉及不同形貌的聚丙烯腈修饰材料的制备及其在锂硫电池中的应用。以聚丙烯腈为溶质，N,N

【技术实现步骤摘要】
不同形貌的聚丙烯腈修饰材料的制备及其在锂硫电池中的应用


[0001]本专利技术涉及锂硫电池领域，具体涉及不同形貌的聚丙烯腈修饰材料的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着电子产品和电动汽车的持续快速发展，加速了人们对高储能系统的探究。对锂离子的研究已经接近其理论上限，近年来，锂硫电池由于其较高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)而受到广泛的关注。除此之外，锂硫电池的正极活性物质硫在地壳中有较高的丰度，并且成本低，绿色环保。其具有的优势使锂硫电池有望成为取代锂离子电池成为新一代储能系统。然而，由于多硫化物的穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学导致了锂硫电池的循环寿命短和活性材料利用率低下。通过对隔膜的修饰，可以物理阻挡和化学吸附多硫化物，减少多硫化物的“穿梭效应”所引起的容量衰减。本专利技术是在隔膜修饰的基础上，通过改变修饰层材料的形貌来研究其对锂硫电池电化学性能的影响。本专利技术通过简单的工艺流程制备了网络纤维形貌、短枝纤维形貌和颗粒状形貌的聚丙烯腈修饰层，并将其应用于锂硫电池。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于通过同种样品的不同形貌来研究对锂硫电池的电化学性能的影响，同时可以拓展到其他的碱金属电池。
[0004]本专利技术提供了不同形貌的聚丙烯腈修饰材料的制备及其在锂硫电池中的应用，包括如下步骤：
[0005]1、一种聚丙烯腈的纤维形貌的修饰层的制备方法，包括以下步骤：
[0006](1)将聚丙烯腈溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌使聚丙烯腈完全溶解，形成纺丝前驱体溶液。
[0007](2)对步骤(1)所得到的溶液进行简易的静电纺丝工艺，得到相互编织的纤维。
[0008](3)对步骤(2)得到纤维进行干燥，使其溶剂挥发。
[0009](4)对步骤(3)干燥后的纤维在管式炉中进行预氧化和碳化处理，得到三维网络纤维形貌的修饰层。
[0010]2、一种聚丙烯腈的短枝纤维形貌的修饰层制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)将聚丙烯腈在管式炉中进行预氧化和碳化处理。
[0012](2)对步骤(1)所得到的材料中加入N
‑
甲基吡咯烷酮，搅拌使其形成浆液。
[0013](3)对步骤(2)得到的浆液用刮刀涂覆在聚丙烯隔膜上，然后经过真空干燥，得到短枝纤维形貌的修饰层。
[0014]3、一种聚丙烯腈的颗粒形貌的修饰层的制备方法，包括以下步骤：
[0015](1)将聚丙烯腈溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌使其完全溶解。
[0016](2)对步骤(1)所得的溶液涂覆在玻璃板上，然后在管式炉中进行预氧化和碳化处理。
[0017](3)对步骤(2)所得到的材料溶解在N
‑
甲基吡咯烷酮中，搅拌使其形成浆液。
[0018](4)对步骤(3)所得到的浆液用刮刀涂覆在聚丙烯隔膜上，然后经过真空干燥，得到颗粒状形貌的修饰层。
[0019]本专利技术中使用的是工业级的聚丙烯腈。
[0020]优选的，所述的1中的步骤(1)将聚丙烯腈溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中形成10wt％的静电纺丝溶液，搅拌温度为60℃，转速为550
‑
650r/min，搅拌时间为5h。
[0021]优选的，所述的1中的步骤(3)在静电纺丝过程中收集到的纤维在60℃下干燥4
‑
6h。
[0022]优选的，所述1中的步骤(4)进行的预氧化和碳化过程分别为：首先在空气中进行预氧化，温度为250
‑
320℃，升温速率为2
‑
3℃/min，恒温时间为2
‑
3h；然后在氩气气氛下进行高温碳化，温度为800
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1000℃，升温速率为3
‑
4℃/min，恒温时间为2
‑
3h。
[0023]优选的，所述2中的步骤(2)搅拌温度为20
‑
40℃，转速为550
‑
650r/min，搅拌时间为4
‑
8h。
[0024]优选的，所述2中的步骤(3)将得到的浆料用200μm的刮刀涂覆在聚丙烯隔膜上，真空干燥温度为50
‑
70℃，干燥时间为12
‑
24h。
[0025]值得说明的是本专利技术中，三种不同形貌的材料制备过程中，局部过程相同的情况其制备条件也相同。在本专利技术中制备的三种不同形貌的聚丙烯腈分别对锂硫电池的隔膜进行了修饰，不同的形貌引起了锂硫电池的电化学性能以及锂离子扩散系数的差异。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1制备得到的网络纤维形貌修饰材料的扫描电镜图。
[0027]图2为本专利技术实施例2制备得到的短枝纤维形貌修饰材料的扫描电镜图。
[0028]图3为本专利技术实施例3制备得到的颗粒状形貌修饰材料的扫描电镜图。
[0029]图4为本专利技术实施例1所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在电流密度为0.2C时的循环寿命图。
[0030]图5为本专利技术实施例2所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在电流密度为0.2C时的循环寿命图。
[0031]图6为本专利技术实施例3所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在电流密度为0.2C时的循环寿命图。
[0032]图7为本专利技术实施例1所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在0.1
‑
0.5C不同电流密度下的倍率性能图。
[0033]图8为本专利技术实施例2所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在0.1
‑
0.5C不同电流密度下的倍率性能图。
[0034]图9为本专利技术实施例3所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在0.1
‑
0.5C不同电流密度下的倍率性能图。
[0035]图10为本专利技术实施例1所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在0.1
‑
0.5C不同电流密度下的CV图。
[0036]图11为本专利技术实施例2所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在0.1
‑
0.5C不同电流密度下的CV图。
[0037]图12为本专利技术实施例3所制备的材料作为锂硫电池的中间层时，在0.1
‑
0.5C不同电流密度下的CV图。
[0038]图13为本专利技术实施例1、实施例2和实施例3所制备得到的修饰材料作为锂硫电池的中间层时的锂离子扩散系数。
具体实施方式
[0039]本专利技术中提供了不同形貌的聚丙烯腈修饰材料的制备方法，包括以下步骤：
[0040]1、一种聚丙烯腈的纤维形貌的修饰层的制备方法，包括以下步骤：
[0041](1)将聚丙烯腈溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌使聚丙烯腈完全溶解，形成纺丝前驱体溶液。
[0042](2)对步骤(1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚丙烯腈的纤维形貌的修饰层的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚丙烯腈溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌使聚丙烯腈完全溶解，形成纺丝前驱体溶液。(2)对步骤(1)所得到的溶液进行简易的静电纺丝工艺，得到相互编织的网状纤维。(3)对步骤(2)得到纤维进行干燥，使其溶剂挥发。(4)对步骤(3)干燥后的纤维在管式炉中进行预氧化和碳化处理，得到三维网络纤维形貌的修饰层。2.一种聚丙烯腈的短枝纤维形貌的修饰层制备方法，包括以下步骤：(1)将聚丙烯腈在管式炉中进行预氧化和碳化处理。(2)对步骤(1)所得到的材料中加入N
‑
甲基吡咯烷酮，搅拌使其形成浆液。(3)对步骤(2)得到的浆液用刮刀涂覆在聚丙烯隔膜上，然后经过真空干燥，得到短枝纤维形貌的修饰层。3.一种聚丙烯腈的颗粒形貌的修饰层的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚丙烯腈溶解在N，N
‑
二甲基甲酰胺中，搅拌使其完全溶解。(2)对步骤(1)所得的溶液涂覆在玻璃板上，然后在管式炉中进行预氧化和碳化处理。(3)对步骤(2)所得到的材料溶解在N
‑
甲基吡咯烷酮中，搅拌使其形成浆液。(4)对步骤(3)所得到的浆液用刮刀涂覆在聚丙烯隔膜上，然后经过真空干燥，得到颗粒状形貌的修饰层。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，搅拌温度为40
‑
60℃，转速为550
‑
650r/min，搅拌时间为4
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8h，并且所形成的溶液是10wt％的静电纺丝溶液。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所用的静电纺丝工艺的工作电压为19
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【专利技术属性】
技术研发人员：曹琪，高林同，梁露宝，卢端阳，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：