[發(fā)明專利]多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料及制備方法、鋰硫電池隔膜和鋰硫電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110226763.8
• 申請(qǐng)日: 2021-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113036311B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高國(guó)華;肖強(qiáng)鳳;梁興;紀(jì)明澤;倪潔
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M50/431
• 分類號(hào): H01M50/431;H01M50/443;H01M50/449;H01M50/489;H01M10/052
• 代理公司: 上海德昭知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31204
• 代理人: 王偉珍

本發(fā)明屬于電化學(xué)材料領(lǐng)域，提供了一種多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料及制備方法、鋰硫電池隔膜和鋰硫電池。多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料的制備方法是將水、乙醇、氨水、正硅酸四乙酯、間苯二酚和甲醛攪拌反應(yīng)，得到碳包覆二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)后碳化處理，再將其加入氫氧化鈉溶液中，得到中空多孔碳球，將偏釩酸銨、乙醇和硝酸混合，得到氧化釩溶液后，加入中空多孔碳球，超聲處理后水熱反應(yīng)得到產(chǎn)物。通過(guò)調(diào)節(jié)超聲時(shí)間控制進(jìn)入多孔碳球內(nèi)部的氧化釩前驅(qū)體的量，實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的人為可控，產(chǎn)物以非極性的碳球作為表面層，對(duì)多硫化物具有吸附作用，在內(nèi)層有硫時(shí)會(huì)表現(xiàn)出高轉(zhuǎn)化效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)材料領(lǐng)域，具體涉及一種多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料及制備方法、鋰硫電池隔膜和鋰硫電池。

背景技術(shù)

鋰硫電池具有高的理論能量密度(2600Wh kg-1)和比容量(1675mAh g-1)，此外，硫具有低毒性及環(huán)境友好性，且價(jià)廉，因此鋰硫電池被認(rèn)為是最具潛力的下一代儲(chǔ)能體系。然而，鋰硫電池也存在以下問(wèn)題：一是由于不均勻的鋰沉積，循環(huán)過(guò)程中會(huì)形成鋰枝晶，導(dǎo)致鋰陽(yáng)極會(huì)破損、失活甚至變成“死鋰”，極大地增加電解液的消耗，降低電解液以及鋰陽(yáng)極的可逆性。此外，尖銳的鋰枝晶會(huì)刺破隔膜導(dǎo)致短路以及熱失控。二是充放電過(guò)程體積膨脹大(～79％)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)易破損。三是硫正極在充放電過(guò)程中會(huì)生成可溶性的多硫化鋰(LiPSs)，且其電導(dǎo)率較低。LiPSs在正負(fù)兩極間穿梭，造成正極活性物質(zhì)損失和負(fù)極材料失活，此過(guò)程被稱為“穿梭效應(yīng)”，不僅引起容量的連續(xù)衰減以及低庫(kù)倫效率，同時(shí)也會(huì)毒害鋰負(fù)極并生成不必要的中間相。這兩個(gè)主要問(wèn)題導(dǎo)致鋰硫電池的實(shí)際電化學(xué)性能較差。

針對(duì)硫正極存在的“穿梭效應(yīng)”，目前有兩種解決的策略：一是將硫正極束縛進(jìn)多孔主體材料中，如多孔碳、石墨和導(dǎo)電聚合物，通過(guò)物理吸附或化學(xué)鍵將LiPSs封裝進(jìn)主體材料內(nèi)；二是制備多功能化的隔膜。隔膜不僅能阻止正負(fù)極接觸，而且能作為分子篩阻礙LiPSs在正負(fù)兩極間穿梭，抑制穿梭效應(yīng)的發(fā)生。

目前隔膜的功能化修飾方式一種是利用多孔材料修飾隔膜，如多孔碳，但此類導(dǎo)電材料多為非極性的，對(duì)多硫化物的吸附以物理吸附為主，庫(kù)倫效率較低。二是利用元素?fù)诫s(如N)的碳、硫化物等材料對(duì)隔膜進(jìn)行修飾，使隔膜具有較強(qiáng)的化學(xué)吸附能力，可以有效捕獲電解液中的LiPSs，但吸附捕捉LiPSs的量與修飾材料的質(zhì)量成比例增加，因此，吸附捕捉LiPSs的量越多，隔膜修飾層厚度也越厚，會(huì)嚴(yán)重影響離子的擴(kuò)散，因此極大降低倍率性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而進(jìn)行的，目的在于提供一種多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料及制備方法、鋰硫電池隔膜和鋰硫電池。

本發(fā)明提供了一種多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料的制備方法，具有這樣的特征，包括如下步驟：步驟1，將水、乙醇和氨水加入到反應(yīng)容器中混合，再將正硅酸四乙酯加入所述反應(yīng)容器攪拌反應(yīng)，再在所述反應(yīng)容器中加入間苯二酚和甲醛水溶液攪拌反應(yīng)，得到碳包覆二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)；步驟2，將所述碳包覆二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)置于惰性氣氛中碳化處理后，再將碳化后的所述碳包覆二氧化硅核殼結(jié)構(gòu)加入氫氧化鈉溶液中，攪拌反應(yīng)得到中空多孔碳球；步驟3，將偏釩酸銨粉末加入乙醇溶液中攪拌分散，得到混合溶液，再將硝酸溶液加入所述混合溶液中攪拌反應(yīng)，得到氧化釩溶液；步驟4，將步驟2中得到的所述中空多孔碳球加入所述氧化釩溶液，再對(duì)含有所述中空多孔碳球的所述氧化釩溶液超聲處理，得到預(yù)制備溶液；步驟5，將步驟4中得到的所述預(yù)制備溶液密封后進(jìn)行水熱反應(yīng)，得到多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料，其中，在步驟4中，偏釩酸銨和乙醇溶液的質(zhì)量體積比為0.2-0.3：35-45，超聲處理的時(shí)間為3h-4h。

在本發(fā)明提供的多孔碳球封裝氧化釩異質(zhì)核殼球結(jié)構(gòu)材料的制備方法中，還可以具有這樣的特征：其中，在步驟1中，水、乙醇、氨水(25wt％)、正硅酸四乙酯、間苯二酚、甲醛水溶液(37wt％)的質(zhì)量比為138.1：25.0：6.8：8.0：1.0：1.5，在步驟5中，水熱反應(yīng)的溫度為160℃-200℃，反應(yīng)時(shí)間為12h-24h。