[發明專利]碳包覆一維柔性鎢鈮三元氮化物材料及其制備方法以及在鋰硫電池中的應用

在審

• 申請號: 202210523663.6
• 申請日: 2022-05-13
• 公開（公告）號: CN114975921A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 劉暢;鄭洋;羅榮杰;付繼江;霍開富
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/58;H01M10/052;D01D5/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京眾澤信達知識產權代理事務所(普通合伙) 11701
• 代理人: 呂昕煒

本發明公開了碳包覆一維柔性鎢鈮三元氮化物材料及其制備方法以及在鋰硫電池中的應用，所述材料的化學式為W₉Nb₈N₂₂，它是以草酸鈮、偏鎢酸銨、N,N?二甲基甲酰胺以及聚丙烯腈為主要原料通過噴氣紡絲技術制備而成；本發明的碳包覆一維柔性鎢鈮三元氮化物材料中，鎢鈮三元氮化物以及碳材料可有效提高所得復合材料的導電性，通過摻雜形成的鎢鈮三元氮化物可提供更多的活性吸附位點，可有效抑制多硫化物的穿梭效應，并表現出優異的導電性和穩定性；此外與傳統的靜電紡絲法不同，噴氣紡絲法不需要高壓條件，在制備過程中更加安全，同時通過氣流帶動納米線的形成比靜電作用更加高效；本發明的制備方法安全且效率高，有利于大規模開發生產。

技術領域

本發明涉及功能材料技術領域，具體是碳包覆一維柔性鎢鈮三元氮化物材料及其制備方法以及在鋰硫電池中的應用。

背景技術

目前鋰離子電池的能量密度普遍在100-250Wh/kg之間，已經無法滿足人們對美好生活的需要。電子設備、電動汽車的續航問題已經逐步顯現，而鋰硫電池(LSB)擁有高理論比容量(1675mAh/g)、高能量密度(2600Wh/kg)以及硫元素儲量豐富被視為具有重要應用潛力的下一代高比能儲能體系。盡管鋰硫電池體系在電化學性能、環境友好以及成本上具有明顯的優勢，但實際上仍有一系列問題沒有得到充分的解決，這也進一步阻礙了鋰硫電池的商業化進程。鋰硫電池中正極活性物質的硫，是離子和電子的絕緣體，其導電性很差，阻礙了電子的轉移，使得氧化還原反應進行緩慢，導致的電化學性能的衰退；S和放電產物Li₂S，二者的密度相差較大，對鋰硫電池的安全性和耐用性產生負面影響；在充放電反應過程中，形成的可溶性長鏈多硫化物會溶于有機醚類電解液中，并在濃度梯度的作用下穿過隔膜在正負極之間來回穿梭，最后在負極側被鋰金屬還原，并沉積在鋰金屬表面，這就是鋰硫電池中的“穿梭效應”，穿梭效應會嚴重破壞硫的利用率導致電池庫倫效率降低。因此，開發出能夠有效緩解多硫化物穿梭效應的高導電材料對鋰硫電池的應用發展尤為關鍵。

近幾年來，各種載體材料，如碳材料、金屬氧化物、金屬硫化物等與硫復合是提高鋰硫電池電化學性能的有效策略。其中，金屬氮化物由于其良好的化學吸附性、超高的導電性以及較強的催化活性引起了研究人員的興趣。由于N元素的引入，過渡金屬d軌道電子密度增加，費米能級附近具有較大的態密度，從而使過渡金屬氮化物具有類似于貴金屬的電子結構和催化性能。除此之外，過渡金屬氮化物還具有較高的電子導電性和反應高度可逆性，具有廣闊的應用前景。例如文獻“Conductive Mesoporous Niobium NitrideMicrospheres/Nitrogen-Doped Graphene Hybrid with Efficient PolysulfideAnchoring and Catalytic Conversion for High-Performance Lithium–SulfurBatteries(ACS Appl.Mater.Interfaces 2019,11,3,2961–2969)”制備了NbN微球并用于鋰硫電池的硫正極載體材料，單一的NbN微球材料提供的吸附位點不足，提供的活性位點不足，不能有效吸附和錨定多硫化物，難以達到理想的效果。文獻“To effectively drivethe conversion of sulfur with electroactive niobium tungsten oxidemicrospheres for lithium-sulfur battery(Nano Energy 77(2020)105173)”制備了鈮鎢氧化物(Nb₁₈W₁₆O₉₃)微球作為電活性基質，限制于氧化物較差的導電性，電化學反應阻力較大，導致電化學性能較差。