[發明專利]金屬硒化物負載的碳納米纖維的鋰硫電池中間層的制備方法及鋰硫電池

有效

• 申請號: 202011528387.X
• 申請日: 2020-12-22
• 公開（公告）號: CN112670507B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 李國春;蔣湘麗;連加彪;趙巖;楊石榴;鄒波波
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00;D04H1/4382;D04H1/728;D06C7/04
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本發明公開了金屬硒化物負載的碳納米纖維的鋰硫電池中間層的制備方法及鋰硫電池，靜電紡絲法制備納米纖維膜前驅體：將金屬乙酸鹽與Se粉按比例混合在N,N?二甲基甲酰胺中得溶液A；將聚丙烯腈溶于N,N?二甲基甲酰胺中得溶液B，然后將A、B兩溶液混合攪拌制得靜電紡絲液，利用靜電紡絲液進行靜電紡絲，最終得到金屬硒化物前驅體的納米纖維膜；利用熱退火法制得金屬硒化物負載的碳納米纖維膜。且基于上述方法制備的金屬硒化物負載的碳納米纖維膜，應用于鋰硫電池作為中間層，可增強對多硫化物的吸附催化作用，有效的吸附阻止溶解于電解液的多硫化物向鋰負極遷移，并促進其充放電過程中的氧化還原反應，從而有效提高鋰硫電池的倍率性能和循環穩定性。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池的技術領域，具體涉及金屬硒化物負載的碳納米纖維鋰硫電池中間層的制備方法及鋰硫電池。

背景技術

隨著電子攜帶設備和電動汽車行業的快速發展，新能源市場對電化學儲能設備的需求量愈來愈大。其中鋰離子電池因其優異的穩定性和功率密度成為市場上最為廣泛使用的的儲能設備，然而因其成本高、比容量(300mAh·g^-1)低等缺點已越來越無法滿足的人們生活需求。因此，開發功率密度大、能量密度高、成本低的儲能設備成為目前研究的熱點。

鋰硫電池單質硫作為正極材料，具有較高的理論比容量(1675mAh·g^-1)和理論能量密度(2600Wh/Kg),此外單質硫價格低廉且對環境友好，因此鋰硫電池成為目前最有前途可充電電池之一。

雖然鋰硫電池具有諸多優勢，然而硫本身的三個缺點限制了其實際應用：(1)硫的絕緣性：S/Li₂S本征導電性差阻礙了活性材料的利用，導致低的放電比容量和低的倍率性能。此外電子和離子的傳導緩慢使得鋰硫電壓平臺曲線趨向于在更低的放電平臺出現更大的極化，進一步降低了鋰硫電池的實際能量密度。(2)穿梭效應：多硫化物(Li₂S_n,4≤n≤8)容易溶解于電解質溶液中，導致在正負極之間存在穿梭效應。其中，可溶的多硫化物穿梭至負極生成不溶的Li₂S,導致活性材料的不可逆損失和低充電效率。(3)體積膨脹：硫在充電過程中生成不溶的Li₂S，其密度小于硫，導致鋰化后的電極發生體積膨脹，其體積膨脹率最大可達到80％，最終發生電極材料脫落。

為了解決這些缺陷，研究者們采用了許多措施來改善鋰硫電池的性能。例如，從正極材料、隔膜、中間層、電解質等方面進行改善。然而，僅僅通過物理和化學吸附作用改善穿梭效應并不能從根本解決問題，因此最有效的解決措施是催化促進多硫化鋰轉變為固體Li₂S₂/Li₂S，以減少其在電解質中的溶解。從而顯著改善鋰硫電池的循環性能和倍率性能。

發明內容

為了解決現有技術中存在的不足，本發明提出了金屬硒化物負載的碳納米纖維鋰硫電池中間層的制備方法及裝有該中間層的鋰硫電池，鋰硫電池的中間層材料采用金屬硒化物負載的碳納米纖維，可增強對多硫化物的吸附催化作用，有效的吸附阻止溶解于電解液的多硫化物向鋰負極遷移，并促進其充放電過程中的氧化還原反應，從而有效提高鋰硫電池的倍率性能和循環穩定性。

本發明所采用的技術方案如下：

金屬硒化物負載的碳納米纖維的鋰硫電池中間層制備方法，包括如下步驟：

S1、靜電紡絲法制備納米纖維膜前驅體：將金屬乙酸鹽與Se粉按比例混合在N,N-二甲基甲酰胺中得溶液A；將聚丙烯腈溶于N,N-二甲基甲酰胺中得溶液B，然后將A、B兩溶液混合攪拌制得靜電紡絲液；

S2、將靜電紡絲液進行靜電紡絲，最終得到金屬硒化物前驅體的納米纖維膜；

S3、利用熱退火法制得金屬硒化物負載的碳納米纖維膜。