[發明專利]一種金屬錫和碳納米管共摻雜的鋰硫電池中間層材料及制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010474902.4
• 申請日: 2020-05-29
• 公開（公告）號: CN111900390B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 曹琪;王棟;黃田柳;敬波;彭細桂
• 申請（專利權）人: 湘潭大學;湖南希貝新材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙楚為知識產權代理事務所(普通合伙) 43217
• 代理人: 李大為

本發明提供一種金屬錫和碳納米管共摻雜的鋰硫電池中間層材料及制備方法和應用，中間層材料具有碳納米管與碳納米纖維相互交織的三維蛛網狀結構，碳納米管附著在交聯的碳納米纖維表面，且碳納米纖維表面或內部負載有金屬錫納米顆粒。制備過程如下：將導電聚合物加入溶劑中，不斷攪拌使其溶解，在溶液中依次加入碳納米管和錫鹽，混合均勻后，持續攪拌得到紡絲液；將紡絲液在干燥環境下進行靜電紡絲操作，得到紡絲纖維膜；將紡絲纖維膜進行預氧化處理和碳化處理，得到金屬錫和碳納米管共摻雜的中間層材料。本發明制備的中間層材料能很好的提升正極的整體導電性以及對穿梭效應起到良好的抑制作用，可有效提高鋰硫電池的電化學性能。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，具體涉及一種金屬錫和碳納米管共摻雜的鋰硫電池中間層材料及制備方法和應用。

背景技術

隨著社會實際生產生活的需要，對高能量儲能系統的需求日益增長，鋰硫電池由于其自身各種優勢得到了越來越廣泛的關注。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰電池。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，具有較高的理論比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)，其理論能量密度約為傳統鋰離子電池的5倍。此外硫作為石油工業的副產物，價格低廉且對環境友好，因此鋰硫電池是一種非常有前景的鋰電池。

但是鋰硫電池的固有缺陷大大限制了發展，其中突出問題就是“穿梭效應”，多硫化物溶解在電解質中并在正負極之間循環穿梭，從而導致電池容量損失加快，另外，活性物質硫較低的電導率也在放電過程中形成了阻礙，一系列問題導致鋰硫電池電化學性能下降，影響了鋰硫電池的大規模商業化應用。

發明專利CN 108039462A公布了一種鋰-硫電池的導電高聚物復合物的中間層的制造方法，包括步驟：(1)氧化石墨烯上導電高聚物納米棒陣列的生長制備；(2)多孔碳納米管的制備；(3)以導電高聚物-氧化石墨烯-多孔碳納米管復合物為中間層的鋰硫電池的制備。本發明采用導電高聚物-氧化石墨烯-多孔碳納米管復合物為中間層，利用多孔碳納米管表面大量的納米微孔結構，以及氧化石墨烯薄膜上生長的導電高聚物納米棒陣列，不僅極大地增強了電池充放電過程中電子的傳輸能力，而且該復合物的多孔結構能夠保持鋰離子的傳輸能力，從而提高了正極活性材料的利用率；并且，導電高聚物的含氮官能團與氧化石墨烯表面的含氧官能團能夠有效吸附放電過程中形成的多硫化物向電解質溶液的遷移與溶解，大大提高了電池的循環穩定性。

上述對比文件中制備的中間層材料制其原料較多，制備流程復雜，實驗條件不易控制；其產品受溫度和攪拌速度等外界條件影響較大，材料的形貌實則難以精確控制；利用真空抽濾外力擠壓形成產品，不易于材料的均勻分布，很容易造成最終電化學性能的不穩定性；備成鋰硫電池后，在100次循環后其電池循環性能的放電比容量較低。

發明內容

為了克服現有技術中的問題，本申請提供一種金屬錫和碳納米管共摻雜的鋰硫電池中間層材料及制備方法和應用，應用本發明提供的金屬錫和碳納米管共摻雜的鋰硫電池中間層材料，可有效提高鋰硫電池的電化學性能。

為了實現上述目的，本發明通過以下技術方案實現：

一種金屬錫和碳納米管共摻雜的鋰硫電池中間層材料，所述中間層材料具有碳納米管與碳納米纖維相互交織的三維蛛網狀結構，碳納米管附著在交聯的碳納米纖維表面，且碳納米纖維表面或內部負載有金屬錫納米顆粒。

一種金屬錫和碳納米管共摻雜的鋰硫電池中間層材料的制備方法，包括以下步驟：

S1：將導電聚合物加入溶劑中，不斷攪拌使其溶解；

S2、在步驟S1制備的溶液中依次加入碳納米管和錫鹽，混合均勻后，持續攪拌得到紡絲液；

S3、將步驟S2制備的紡絲液在干燥環境下進行靜電紡絲操作，得到紡絲纖維膜；

S4、將步驟S3制備的紡絲纖維膜進行預氧化處理和碳化處理，得到金屬錫和碳納米管共摻雜的中間層材料。