[發明專利]改性的金屬氮化物納米材料、制備方法及鋰硫電池

有效

• 申請號: 201910095939.3
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN109786719B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 呂偉;郝柏宇;李歡;楊全紅;康飛宇
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M50/431;H01M50/457;H01M10/052;H01M10/058;B82Y30/00
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產權代理有限公司 44311
• 代理人: 曾昭毅;鄭海威

本發明公開了一種活性原子改性的金屬氮化物納米材料，包括金屬氮化物納米顆粒、形成于所述金屬氮化物納米顆粒表面的惰性層以及與所述惰性層通過化學鍵結合的活性原子。本發明還提供所述活性原子改性的金屬氮化物納米材料的制備方法，以及應用所述活性原子改性的金屬氮化物納米材料的鋰硫電池。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池領域，尤其涉及一種活性原子改性的金屬氮化物納米材料、制備方法及鋰電池。

背景技術

鋰硫電池作為一種新型二次電池，因具有容量高、成本低以及單質硫來源廣與無毒等優點，具有很好的應用前景。但是，在實際應用過程中，單質硫在充放電過程中形成的中間態多硫化鋰易溶解在液態電解質中，并隨著電解質的擴散從正極材料中擴散至負極引發不必要的副反應(即，穿梭效應)，進而損失活性物質硫，并降低活性物質的利用率，從而使得鋰硫電池的實際能量密度普遍較低。

為解決上述問題，目前通常采用納米金屬化合物、納米碳和硫復合的方法，以增加電極的導電性，并通過極性金屬化合物對多硫化鋰的化學吸附及催化轉化作用抑制“穿梭效應”。但是，實際應用中納米金屬化合物在空氣中暴露后，易在其表面形成一層氧化層，所述氧化層雖然對多硫化鋰有著較強的吸附能力，卻同時隔絕了對多硫化鋰與納米金屬化合物表面的直接接觸，使得多硫化鋰無法接受電子進行反應轉化，同時氧化層較低的催化活性更進一步的限制了多硫化鋰的轉化。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種活性原子改性的金屬氮化物納米材料的制備方法，該方法能夠制備出性能優異的活性原子改性的金屬氮化物納米材料。

另，還有必要提供一種由上述制備方法制得的活性原子改性的金屬氮化物納米材料以及具有所述活性原子改性的金屬氮化物納米材料的鋰硫電池。

本發明提供一種活性原子改性的金屬氮化物納米材料，包括金屬氮化物納米顆粒、形成于所述金屬氮化物納米顆粒表面的惰性層以及與所述惰性層通過化學鍵結合的活性原子。

本發明還提供一種活性原子改性的金屬氮化物納米材料的制備方法，包括以下步驟：

將金屬氮化物納米顆粒置于空氣中進行氧化，從而在所述金屬氮化物納米顆粒表面形成惰性層；

將含活性原子有機物粉末與帶有所述惰性層的金屬氮化物納米顆粒置于管式爐中；

在活化氣氛下，對所述管式爐中的所述含活性原子有機物粉末與帶有所述惰性層的金屬氮化物納米顆粒進行熱處理；

冷卻，得到所述活性原子改性的金屬氮化物納米材料。

本發明還提供一種鋰硫電池，包括正電極、負電極以及設置于所述正電極與所述負電極之間的隔離膜，所述隔離膜包括一中間層，所述正電極以及所述中間層中的至少一種包括所述的活性原子改性的金屬氮化物納米材料。

相較于現有技術，本發明對金屬氮化物納米材料表面氧化形成的不導電且催化活性低的惰性層進行充分利用，在保留上述惰性層的強吸附能力的基礎上，進一步激發所述惰性層的導電性和催化活性，且活性原子與所述惰性層之間通過化學鍵結合，結合力較強，使得結構更加穩定，性能優異，從而使得含所述金屬氮化物納米材料的鋰硫電池的實際能量密度較高。

附圖說明

圖1是本發明較佳實施例中的活性原子改性的金屬氮化物納米材料的制備流程圖。

圖2是本發明實施例1中去除惰性層以及含有惰性層的氮化鈦納米顆粒的X射線光電子Ti 2p能譜圖。

圖3是本發明實施例1中硫原子表面改性的氮化鈦納米材料的透射電鏡(TEM)圖。

圖4A是本發明實施例1中硫原子表面改性的氮化鈦納米材料與對比例中的氮化鈦納米材料的X射線光電子Ti 2p能譜圖。