[發明專利]一種氮鈷共催化的三維氮摻雜碳夾層及其制備方法

有效

• 申請號: 201910189477.1
• 申請日: 2019-03-13
• 公開（公告）號: CN109768266B
• 公開（公告）日: 2020-11-10
• 發明（設計）人: 陳人杰;王付杰;吳鋒;錢驥;張夢露
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/058
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;仇蕾安

本發明涉及一種氮鈷共催化的三維氮摻雜碳夾層及其制備方法，屬于電池材料技術領域。本發明所述的夾層由三維氮摻雜碳骨架結構及其表面吸附的碳鈷復合顆粒組成，其摻雜的氮以及吸附的鈷能夠促進充放電過程中Li₂S的形成和分解，保證硫的高利用率以及良好的循環穩定性；而且其三維骨架結構不僅能夠容納并限制多硫化物，有效抑制飛梭效應，還可以儲存電解質，保證了鋰硫電池在大倍率下的良好性能。本發明中制備所述夾層的方法工藝簡單、成本低且易于規模化生產。

技術領域

本發明涉及一種用于鋰硫電池的夾層材料及其制備方法，屬于電池材料技術領域。

背景技術

由于便攜式電氣設備和電動車輛的快速發展，迫切需要更好的能量存儲系統來為這些設備供電，而電池可以提供解決方案。鋰硫電池由于其理論正極容量高達1675mAh/g，高能量密度為2600Wh/kg，是最有前途的類型之一。在過去的十年中，鋰硫電池受到了極大的關注和深入的追捧，并且在開發正極復合材料和改善鋰硫電池的電化學性能方面取得了巨大進展。然而，實用的鋰硫電池仍然受到阻礙，遠遠不符合電動汽車的要求。鋰硫電池的問題包括：(i)硫及其還原產物(Li₂S₂/Li₂S)的絕緣性質；(ii)多硫化物的溶解。上述問題會導致正極中活性材料的損失，從而降低電池的放電容量；發生正極和負極之間的多硫化物的穿梭效應，這引起極其嚴重的過充電、鋰負極的腐蝕和電解質的耗盡。此外，自放電對于實用的鋰硫電池來說是不可避免的問題。即使在靜止時，硫也會溶解到電解質中，然后產生的長鏈多硫化物可遷移到負極并與鋰反應，這導致開路電壓降低。

目前研究表明，采用多孔結構的碳材料和活性物質制備碳硫復合材料可以改善鋰硫電池性能。利用材料多孔結構吸附多硫化物，抑制多硫化物的溶解和擴散，從而抑制穿梭效應，改善鋰硫電池的循環穩定性。但是目前報道的各種材料并不能徹底解決鋰硫電池存在的問題，在制備工藝上又大多比較復雜。利用碳、聚合物和金屬氧化物制備功能夾層，是抑制鋰硫電池飛梭效應的另一途徑，雖然在一定程度上改善了鋰硫電池的性能，但普遍存在的缺點是：電池的電化學性能不穩定，多硫化物的穿梭效應依舊明顯，操作難度大，生產成本高。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明的目的之一在于提供一種氮鈷共催化的三維氮摻雜碳夾層，該夾層具有自支撐導電的三維氮摻雜碳骨架結構，不僅能夠容納并限制多硫化物，有效抑制飛梭效應，還可以儲存電解質，保證了鋰硫電池在大倍率下的良好性能；而且骨架結構中摻雜的氮以及表面吸附的鈷能夠促進Li₂S的形成和分解，保證硫的高利用率，提高鋰硫電池循環穩定性。

本發明的目的之二在于提供一種氮鈷共催化的三維氮摻雜碳夾層的制備方法，該方法工藝簡單、成本低、易規模化生產。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種氮鈷共催化的三維氮摻雜碳夾層，所述夾層由三維骨架結構及其表面吸附的顆粒組成；

所述三維骨架結構是蜜胺泡沫通過碳化得到的三維氮摻雜碳結構；

所述顆粒是ZIF(沸石咪唑酯骨架結構)通過碳化得到的碳鈷復合顆粒；

其中，在所述夾層中，氮摻雜的質量分數為5％～30％，鈷吸附的質量分數為1％～20％。

本發明所述氮鈷共催化的三維氮摻雜碳夾層的制備方法，具體制備步驟如下：

(1)將蜜胺泡沫在惰性氣體或氮氣氣氛中加熱至300℃～600℃，保溫1h～5h后冷卻，得到預處理的蜜胺泡沫；

(2)先將預處理的蜜胺泡沫置于堿溶液中進行表面粗糙化處理，并清洗、干燥，然后浸入鈷鹽和PVP(聚乙烯吡咯烷酮)的醇溶液中，攪拌不少于6h，再加入2-甲基咪唑的醇溶液并在-5℃～10℃下繼續攪拌30min～1h，隨后再在室溫下靜置24h以上，在蜜胺泡沫上形成ZIF；