[發明專利]一種錳摻雜三硫化鉭還原氧化石墨烯復合材料的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202210517611.8
• 申請日: 2022-05-13
• 公開（公告）號: CN115028162B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 董玉濤;李鑫;彭懷啟;朱蒙蒙;張建民
• 申請（專利權）人: 河南農業大學;鄭州大學
• 主分類號: C01B32/194
• 分類號: C01B32/194;C01G35/00;H01M10/052;H01M50/403;H01M50/431;H01M50/449;H01M50/451
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務所(普通合伙) 41117
• 代理人: 宋巧蘭

本發明公開了一種錳摻雜三硫化鉭還原氧化石墨烯復合材料的制備方法及其應用，該方法包括以下步驟：（1）將氧化石墨烯超聲分散于水中，制得表面帶負電荷的氧化石墨烯溶液；（2）將硫代乙酰胺、氯化鉭和四水合醋酸錳溶于去離子水中，攪拌至完全溶解，然后，向上述溶液中加入氧化石墨烯溶液；之后將混合溶液轉移到反應釜中，在250?300℃下，反應24小時，然后用去離子水浸洗5?6次，最后?56℃下冷凍干燥24h后得到Mn?TaSsubgt;3/subgt;@rGO復合材料。利用本發明制備的Mn?TaSsubgt;3/subgt;@rGO復合材料制成一種新型功能修飾隔膜，可以阻礙多硫化物遷移，同時能夠加速鋰離子轉移，降低穿梭效應，有效地增加表面活性位點，提高對多硫化物的化學吸附能力，從而提高鋰硫電池的電化學性能。

技術領域

本發明屬于納米材料科學與二次電源技術領域，特別是一種新型的錳摻雜三硫化鉭還原氧化石墨烯（Mn-TaS₃@rGO）復合材料的水熱方法制備與功能修飾隔膜在高載硫鋰硫電池中的應用。

背景技術

隨著社會的進步與發展，鋰離子電池的工藝日益完善，其實際最大比容量已接近理論比容量，但鋰離子電池已經無法滿足人們對于更高比容量以及能量密度的需求。為了應對日益增長的能源需求以及更有效地存儲和運輸電能，許多科研工作者一直致力于設計具有高能量密度的鋰硫電池。然而，鋰硫電池存在嚴重的“穿梭效應”以及硫和硫化鋰的導電率低、充放電（硫轉化）過程中體積膨脹等問題，使鋰硫電池尚未實現商業應用。為了解決上述問題，同時提高鋰硫電池的電化學性能，主要解決方法包括制備結構新穎的硫陰極宿主材料，功能修飾隔膜以及新型電解液等。

現今已經生產的功能修飾隔膜包括碳材料（如碳納米管、碳納米纖維、石墨烯），金屬有機框架材料和極性材料（如金屬硫化物，金屬氧化物，金屬硼化物和過渡金屬雙鹵化物（TMDs））。然而，如何提高對多硫化物催化吸附能力仍然是鋰硫電池的一大問題。除了過渡金屬雙鹵化物外，過渡金屬三硫化物（TMTs）（如NbS₃、NbSe₃、TiS₃和TaS₃）作為隔膜材料被認為是提高鋰硫電池性能的理想選擇。其中TaS₃是一種獨特的TMTs材料，具有層狀晶體結構、高導電性、高比表面積、優異的電催化活性和高儲能等特點。TaS₃的正交相由S-Ta-S的夾層組成，是具有層狀晶體結構的納米顆粒。雖然TaS₃材料具有導電性，但由于孔表面有限其有效活性位點數量較少，其電催化活性受到抑制，這就影響了其在鋰硫電池中的實際應用。

發明內容

基于上述技術問題，本發明提供了一種新型功能修飾隔膜，可以阻礙多硫化物遷移，同時能夠加速鋰離子轉移，降低穿梭效應，有效地增加表面活性位點，提高對多硫化物的化學吸附能力，從而提高鋰硫電池的電化學性能。

本發明還提供了一種新型功能修飾隔膜的制備方法，本發明首次采用一步水熱法，以還原氧化石墨烯（rGO）作為基體材料，制備錳摻雜三硫化鉭還原氧化石墨烯（Mn-TaS₃@rGO）復合材料，并將其作為新型TMT修飾隔膜（Mn-TaS₃@rGO/PP）應用于高性能鋰硫電池。

Mn-TaS₃@rGO/PP表現出對多硫化物優異的吸附能力，Mn摻雜TaS₃增加了隔膜的活性位點。此外，還原氧化石墨烯的電導率可以通過還原氧化石墨烯官能團的化學相互作用提高鋰硫電池的總電導率以及增強對多硫化物的吸附。因此，具有大量的活性位點、優異的吸附能力和優良的性能的Mn-TaS₃@rGO/PP，可以用來提高鋰硫電池的電化學性能。除了上述優點外，即使在高載硫量下Mn-TaS₃@rGO/PP也具有良好的的導電性和較強的抗自放電性能，并且對多硫化物具有優異的吸附能力，表現出優異的充放電容量與循環穩定性。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：