[發明專利]一種鋰硫電池用正極側隔層材料的制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110545456.6
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113422154B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 李祥村;賀高紅;郭嬌;姜曉濱;吳雪梅;肖武;馬滄海
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01M50/403
• 分類號: H01M50/403;H01M50/46;H01M10/052;H01M10/42;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 大連格智知識產權代理有限公司 21238
• 代理人: 劉琦

本發明公開了一種鋰硫電池正極側隔層材料的制備方法。以聚丙烯腈、鈷鹽、硫脲和氧化石墨烯為原料，通過靜電紡絲、預氧化、碳化、電沉積CoS、電沉積并還原氧化石墨烯，得到能夠截留多硫化物、緩解鋰硫電池穿梭效應的RG@CoS@C膜(鋰硫電池正極側隔層材料)，將RG@CoS@C膜插入鋰硫電池正極和聚丙烯隔膜之間作為隔層，則RG@CoS@C隔層利用其CoS納米片和石墨烯(RG)之間的“協同作用”能高效截留、吸附多硫化物，催化轉化多硫化物，阻止其由鋰硫電池正極向負極傳遞，從而緩解鋰硫電池的穿梭效應，提高電池性能及循環壽命。以該膜為隔層的鋰硫電池具有優異的儲能性能，1.0C電流密度下初始放電比容為942.7mA h g^?1，循環150圈后，每圈的容量損失率為0.02％，庫倫效率接近100％。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池正極側隔層材料領域，具體涉及一種碳納米纖維膜、硫化鈷和石墨烯復合材料作為鋰硫電池正極側隔層材料的制備方法和應用。

背景技術

隨著社會的快速發展，對能源的需求也越來越高，尤其是太陽能、風能以及潮汐能等的充分利用對儲能技術提出了更高的要求。鋰離子電池，鈉離子電池和鋰硫電池等作為一種有效儲能技術手段得到了廣泛的研究。鋰離子電池具有能量密度高、充電效率高、溫度特性良好、自放電低和無記憶效應等的優點，在電子產品、新能源汽車、無人飛行器等領域得到了廣泛應用。但鋰離子正極材料的能量密度較低并且已接近理論極限，很難滿足社會進一步發展的需要。因此，發展和探索新一代高容量鋰電池材料以推動新能源設備的廣泛應用仍然十分必要。

在鋰金屬電池中，鋰硫電池以其1672mA h g^-1的理論容量和2600Wh kg^-1的理論能量密度備受矚目，是一種前景可觀的儲能設備。此外，硫的自然儲量豐富，成本低廉，環境友好，因此，鋰硫電池極具大規模儲能應用的潛力。但鋰硫電池在實際應用中仍然面臨多硫化物的穿梭效應問題。在鋰硫電池循環過程中，長鏈多硫化鋰Li₂S_x(4x≤8)在電解液中具有極高的溶解度，在濃度梯度的驅使下多硫化物向金屬鋰負極遷移，并在負極形成短鏈多硫化鋰Li₂S_x(1x≤2)，導致活性物質和可逆容量的永久損失，鋰金屬的快速腐蝕。多硫化鋰在正負極之間遷移，即“穿梭效應”。“穿梭效應”是導致鋰硫電池庫倫效率低的主要因素，嚴重的“穿梭效應”會導致充電效率低，循環壽命縮短，安全性能下降等問題。添加正極側隔層是緩解鋰硫電池穿梭效應行之有效的方法，目前的研究集中于單一因素的改進優化，效果有限，如何對隔層的結構進行綜合優化，對于鋰硫電池實際應用具有重要意義。

發明內容

針對以上問題，本發明提出了一種鋰硫電池正極側隔層材料的制備方法和應用，鋰硫電池正極側隔層材料為功能化隔層材料，該隔層由包覆有還原氧化石墨烯涂層(RG)的超薄CoS納米片和碳納米纖維膜組成，通過簡單的靜電紡絲技術和電沉積技術制成。通過電紡聚丙烯腈(PAN)獲得的碳納米纖維膜具有高孔隙率，高比表面積和良好的導電性。電沉積引入的RG覆蓋層緊密地原位包裹在CoS納米片上。并且，通過電沉積方法引入的石墨烯不會對CoS產生屏蔽效應，而且存在大量缺陷位點，這些缺陷位點降低了對硫化物的催化反應能壘，大大提高了多硫化物的催化轉化率。另外，納米片狀的CoS被RG層緊緊地固定和包裹，并且通過電沉積整合到碳納米纖維膜上，RG層的包裹不僅引入缺陷位點得到了更多的耦合界面，并且有效提高了CoS的導電性，這兩種不同材料的耦合能夠有效地催化多硫化物，從而進一步減輕穿梭效應并提高多硫化物的利用率。暴露在RG缺陷處的CoS納米片容易吸附Li⁺，從而促進S₈轉化為Li₂S。石墨烯層不僅提高了材料的導電性，而且還促進了Li⁺的轉移，從而協同降低了Li₂S的分解能壘。兩種材料的協同作用可以大大改善Li-S電池的電化學性能。

為實現以上目的，本發明提供了以下技術方案：