[發明專利]一種具有多級結構的碳納米纖維、金屬相二硫化鉬和硫復合材料的制備方法及應用

在審

• 申請號: 201710884097.0
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107749468A
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 孫克寧;王茂旭;范立雙;張乃慶
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/66;H01M10/052
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司23206
• 代理人: 高媛

技術領域

本發明屬于能源材料技術領域，具體涉及一種具有多級結構的碳納米纖維、金屬相二硫化鉬和硫復合材料的制備方法及應用。

背景技術

隨著便攜式電子產業的發展，對高比能量電池的需求更加迫切，限制于傳統鈷酸鋰、錳酸鋰等材料比容量的制約，鋰離子電池已經無法滿足現在的需求。尋求一種更高比容量的二次電池勢在必行。鋰硫電池近些年來受到研究人員的重視，由于其比容量高（1675mAh/g）、成本低、單質硫來源廣、無毒等優點，很有希望成為下一代高比能量的二次電池體系。

但是，目前仍然具有很多困難制約著鋰硫電池的商業化應用，比如：（1）單質硫不導電，影響整個電池的電化學性能；（2）放電電位比較低，只有2.1V；（3）放電中間產物多硫化鋰易溶于醚類電解液（穿梭效應），導致硫通過電解液遷移到負極表面，降低電池壽命；（4）單質硫放電過程體積膨脹嚴重，選用單質鋰作為負極材料，存在安全隱患。以上問題中多硫化鋰的溶解是目前要解決的最大的問題。

通常解決穿梭效應的方法是選用一種碳材料與單質硫復合，將單質硫和放電中間產物包裹在碳材料的孔道中。但是近期研究表明，碳材料屬于非極性分子，與多硫化鋰之間無法形成化學吸附的作用，導致抑制穿梭效應的效果不明顯。基于此種觀點，研究人員又選取元素摻雜改性碳材料的表面結構，但是摻雜的活性位點有限。最近，極性分子作為鋰硫電池正極材料的研究成為抑制穿梭效應的熱點。同時多級結構材料在電催化以及能源領域用途廣泛，但是傳統構筑多級結構方法大多繁瑣冗長，耗能多，不利于大規模制備，制備具有多級結構的極性材料可以有效提升鋰硫電池的性能表現。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前鋰硫電池存在的嚴重的穿梭效應問題，提供一種具有多級結構的碳納米纖維、金屬相二硫化鉬和硫復合材料的制備方法及應用。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種具有多級結構的碳納米纖維、金屬相二硫化鉬和硫復合材料的制備方法，所述方法步驟如下：

步驟一：將182 mg鉬酸銨、304 mg L-半胱氨酸和113~452 mg硼氫化鈉溶解在70mL混合溶液中，超聲溶解30min，放入碳納米纖維繼續超聲30min，然后將已放入碳納米纖維的混合溶液轉移到聚四氟乙烯反應釜中，180℃溫度下水熱24h，自然冷卻至室溫，取出碳納米纖維，依次用水和乙醇洗，在70℃烘箱中干燥過夜，即得到具有多級結構的碳納米纖維和金屬相二硫化鉬復合材料；

步驟二：稱取200-400mg 硫粉溶解到5mL二硫化碳中，將步驟一制備的具有多級結構的碳納米纖維和金屬相二硫化鉬復合材料浸漬到硫溶液中，使硫的負載量在1.5-3.0mg cm^-2），5min后取出，在40℃溫度下真空干燥，再在155℃溫度下加熱煅燒12h，即得到具有多級結構的碳納米纖維、金屬相二硫化鉬和硫復合材料。

一種上述方法制備得到的具有多級結構的碳納米纖維、金屬相二硫化鉬和硫復合材料在鋰硫電池正極中的應用。

本發明相對于現有技術的有益效果是：

（1）金屬相二硫化鉬具有很好的多硫化鋰吸附能力，能夠提升鋰硫電池的穩定性。

（2）金屬相二硫化鉬本身具有良好的導電性，吸附和轉化反應可以同時在金屬相二硫化鉬表面發生。

（3）碳納米纖維作為集流體，避免了電極材料制備工藝的繁瑣以及粘結劑的使用。

（4）制備原料成本低，制作工藝簡單，制備過程清潔環保，有利于鋰硫電池的實際應用。

（5）具有多級結構的二硫化鉬具有對多硫化物的強吸附作用，本身導電性強，吸附和轉化可以同時在金屬相二硫化鉬表面轉化，其次碳納米纖維作為集流體可以減少粘結劑的使用，從而提高電極材料整體導電性，有利于實現硫的高效利用以及獲得循環穩定的鋰硫電池。具有多級結構的碳納米纖維和金屬相二硫化鉬復合材料可以通過簡單的一步水熱法制備，簡單易行，成分可控。

（6）具有多級結構的碳納米纖維、金屬相二硫化鉬和硫復合材料因具有以上五點優點，展現出優秀的循環穩定性。

附圖說明

圖1為具有多級結構的碳納米纖維和金屬相二硫化鉬的SEM圖。

圖2為組裝的扣式電池在0.2C下的充放電曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的保護范圍中。