一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维及其制备方法和一种锂硫电池技术

本发明专利技术公开一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维及其制备方法和一种锂硫电池，其制备方法包括将氯化锌溶于乙醇、水、氨水以及DMF中，搅拌，加入1H

【技术实现步骤摘要】
一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维及其制备方法和一种锂硫电池


[0001]本专利技术属于锂硫电池隔膜改性材料制备
，涉及一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维及其制备方法和一种锂硫电池。

技术介绍

[0002]电化学储能装置以化学能的形式存储电能，在需要的时候又以电能的形式释放出来，因此是一种非常合适的储能系统。而锂硫(Li
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S)电池等可持续有效的电池正在全球引起广泛关注。带有硫阴极和金属锂阳极的锂硫电池具有极高的理论比容量1675mAh
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‑1和能量密度2600Wh
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kg
‑1。重要的是，硫的天然丰富度和低成本保证了电池是一种环保和高潜力的储能装置。金属锂具有重量轻、标准电位低的优点，也是一种很有前景的能源系统。然而，在充放电过程中活性硫会发生严重的体积变化，且硫和放电产物硫化锂(Li2S)的绝缘性导致缓慢的动力学反应过程；更致命的是充/放电过程中形成可溶性多硫化物穿过隔膜向负极测扩散，与负极金属锂直接发生反应，造成硫不可逆损失和锂库伦效率降低，同时消耗大量电解液，导致电池失效，即“穿梭效应”，导致电池的循环寿命短、效率低和容量衰减快。
[0003]针对以上问题，学者探索采用各种方式进行改进，最常见和有效的方法可归类为锂硫电池中三个重要组件的改进，即阴极、隔膜和功能层。包括硫正极主体的构建，隔膜的修饰，阴极和隔膜之间的功能层的制造以及电解质系统的调节。其中在阴极和隔膜之间引入功能层用来捕获和限制多硫化物的穿梭是一种有效的方法来改善电池性能。许多极性催化剂材料(碳化物，硫化物等)和异质结材料被广泛用于锂硫电池，用于对多硫化物进行催化转化。然而，传统的金属基多相催化剂材料不能很好的对多硫化物进行捕获吸附，同时活性位点暴露不完全，使得其原子利用率不足，电化学活性有限。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维及其制备方法和一种锂硫电池，从而解决现有技术中极性催化剂材料对多硫化物捕获不充分，活性位点暴露不完全，使得其原子利用率不足，电化学活性有限的技术问题。
[0005]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0006]一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1：将氯化锌溶于乙醇、水、氨水以及N,N
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二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌使其完全溶解，并加入1H
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1,2,3
‑
三唑，室温下充分搅拌至反应完全，制得MET
‑
6；
[0008]S2：将所述MET
‑
6溶于甲醇溶液中，依次加入Co(NO3)2·
6H2O和FeCl2·
4H2O后，搅拌反应，得到Fe和Co修饰的MET
‑
6；
[0009]S3：将Fe和Co修饰的MET
‑
6溶于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，加入聚丙烯腈，搅拌混合均匀，进行静电纺丝制得前驱体；
[0010]S4：对所述前驱体进行退火处理，制得所述FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维。
[0011]优选的，所述步骤S1中氯化锌与1H
‑
1,2,3
‑
三唑的质量比为(0.5～1):(0.5～1)。
[0012]优选的，所述步骤S1中，室温下充分搅拌3～10h。
[0013]优选的，所述步骤S2中，MET
‑
6与Co(NO3)2·
6H2O以及FeCl2·
4H2O的质量比为(1～2):(0.05～0.15):(0.03～0.10)。
[0014]优选的，所述步骤S2中，依次加入Co(NO3)2·
6H2O和FeCl2·
4H2O后，搅拌4～10h。
[0015]优选的，所述步骤S3中，Fe和Co修饰的MET
‑
6与聚丙烯腈的质量比例为(6.5～12.5):(0.5～1.5)。
[0016]优选的，所述步骤S3中，静电纺丝的电压为12～15kV、针头与接收板的距离为10～18cm、流速为0.5～1.0ml/h。
[0017]优选的，所述步骤S4中，退火处理温度为500～1200℃，退火时间为4～10h。
[0018]一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，通过上述的方法制得，所述FeCo共掺杂碳纳米纤维的直径为600～750nm。
[0019]一种锂硫电池，包含上述的FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，所述锂硫电池在1.7～2.8V电压区间内，1C倍率下，经1000圈循环后，可逆比容量为550～700mAh
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‑1。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0021]一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，使用Fe和Co实现了对MET
‑
6的共掺杂，与聚丙烯腈混合后，进行静电纺丝，然后通过退火热处理，形成了Fe和Co共掺杂的多孔碳纳米纤维材料，高温热解后，Zn节点被还原并挥发，高能三唑配体1H
‑
1,2,3
‑
三唑分解并生成大量气体，产生大量多孔。该多孔碳纳米纤维材料具有高的孔隙度以及比表面积，有利于电解质的渗透，可以实现多硫化物的有效吸附，进一步通过掺杂的Fe原子和Co原子对捕获吸附的多硫化物进行催化处理，使得长链的多硫化物转变为段链的多硫化物；且由于单原子Fe和Co均匀分布在碳纳米纤维的表面，有效提高了活性位点的暴露，提高了材料的协同催化效率；有效避免了锂硫电池在使用过程中，可溶性多硫化物的“穿梭效应”所导致的电池性能衰减的问题。同时由于材料的多孔碳纤维结构，材料的导电性能提升，使得该材料用于锂硫电池时，具有很好的导电性能。另外，在热处理过程中形成的氮掺杂的碳纳米纤维，有效的提高了材料的导电性能。本专利技术制备的具有双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维具有高比表面积以及高离子电导率，将其用作锂硫电池的功能层，有效地改善了锂硫电池的穿梭效应，本申请制得的材料具有较高的柔性，便于加工使用。本专利技术制备过程简单易控制，周期短，能耗低，所得产物可重复性高，有利于大规模生产。
[0022]进一步的，步骤S1中氯化锌与1H
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1,2,3
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三唑的质量比为(0.5～1):(0.5～1)，可有效确保MET
‑
6的合成。
[0023]进一步的，步骤S1中，室温下充分搅拌3～10h，可使得体系充分发生反应，确保MET
‑
6的合成。
[0024]进一步的，步骤S2中，依次加入Co(NO3)2·
6H2O和FeCl2·
4H2O后，搅拌4～10h，可实现钴与铁对MET
‑
6的充分均匀掺杂。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将氯化锌溶于乙醇、水、氨水以及N,N
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二甲基甲酰胺的混合溶液中，搅拌使其完全溶解，并加入1H
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1,2,3
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三唑，室温下充分搅拌至反应完全，制得MET
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6；S2：将所述MET
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6溶于甲醇溶液中，依次加入Co(NO3)2·
6H2O和FeCl2·
4H2O后，搅拌反应，得到Fe和Co修饰的MET
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6；S3：将Fe和Co修饰的MET
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6溶于N,N
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二甲基甲酰胺中，加入聚丙烯腈，搅拌混合均匀，进行静电纺丝制得前驱体；S4：对所述前驱体进行退火处理，制得所述FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维。2.根据权利要求1所述的一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中氯化锌与1H
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1,2,3
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三唑的质量比为(0.5～1):(0.5～1)。3.根据权利要求1所述的一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，室温下充分搅拌3～10h。4.根据权利要求1所述的一种FeCo双单原子修饰的氮掺杂多孔碳纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，MET
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6与Co(NO3)2·...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏庆梅，张芳，杜高辉，许并社，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：