[发明专利]多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料及制备方法、锂硫电池隔膜和锂硫电池

说明书

本发明属于电化学材料领域，提供了一种多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料及制备方法、锂硫电池隔膜和锂硫电池。多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料的制备方法是将水、乙醇、氨水、正硅酸四乙酯、间苯二酚和甲醛搅拌反应，得到碳包覆二氧化硅核壳结构后碳化处理，再将其加入氢氧化钠溶液中，得到中空多孔碳球，将偏钒酸铵、乙醇和硝酸混合，得到氧化钒溶液后，加入中空多孔碳球，超声处理后水热反应得到产物。通过调节超声时间控制进入多孔碳球内部的氧化钒前驱体的量，实现纳米结构的人为可控，产物以非极性的碳球作为表面层，对多硫化物具有吸附作用，在内层有硫时会表现出高转化效率。

技术领域

本发明属于电化学材料领域，具体涉及一种多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料及制备方法、锂硫电池隔膜和锂硫电池。

背景技术

锂硫电池具有高的理论能量密度(2600Wh kg-1)和比容量(1675mAh g-1)，此外，硫具有低毒性及环境友好性，且价廉，因此锂硫电池被认为是最具潜力的下一代储能体系。然而，锂硫电池也存在以下问题：一是由于不均匀的锂沉积，循环过程中会形成锂枝晶，导致锂阳极会破损、失活甚至变成“死锂”，极大地增加电解液的消耗，降低电解液以及锂阳极的可逆性。此外，尖锐的锂枝晶会刺破隔膜导致短路以及热失控。二是充放电过程体积膨胀大(～79％)，导致结构易破损。三是硫正极在充放电过程中会生成可溶性的多硫化锂(LiPSs)，且其电导率较低。LiPSs在正负两极间穿梭，造成正极活性物质损失和负极材料失活，此过程被称为“穿梭效应”，不仅引起容量的连续衰减以及低库伦效率，同时也会毒害锂负极并生成不必要的中间相。这两个主要问题导致锂硫电池的实际电化学性能较差。

针对硫正极存在的“穿梭效应”，目前有两种解决的策略：一是将硫正极束缚进多孔主体材料中，如多孔碳、石墨和导电聚合物，通过物理吸附或化学键将LiPSs封装进主体材料内；二是制备多功能化的隔膜。隔膜不仅能阻止正负极接触，而且能作为分子筛阻碍LiPSs在正负两极间穿梭，抑制穿梭效应的发生。

目前隔膜的功能化修饰方式一种是利用多孔材料修饰隔膜，如多孔碳，但此类导电材料多为非极性的，对多硫化物的吸附以物理吸附为主，库伦效率较低。二是利用元素掺杂(如N)的碳、硫化物等材料对隔膜进行修饰，使隔膜具有较强的化学吸附能力，可以有效捕获电解液中的LiPSs，但吸附捕捉LiPSs的量与修饰材料的质量成比例增加，因此，吸附捕捉LiPSs的量越多，隔膜修饰层厚度也越厚，会严重影响离子的扩散，因此极大降低倍率性能。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料及制备方法、锂硫电池隔膜和锂硫电池。

本发明提供了一种多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，将水、乙醇和氨水加入到反应容器中混合，再将正硅酸四乙酯加入所述反应容器搅拌反应，再在所述反应容器中加入间苯二酚和甲醛水溶液搅拌反应，得到碳包覆二氧化硅核壳结构；步骤2，将所述碳包覆二氧化硅核壳结构置于惰性气氛中碳化处理后，再将碳化后的所述碳包覆二氧化硅核壳结构加入氢氧化钠溶液中，搅拌反应得到中空多孔碳球；步骤3，将偏钒酸铵粉末加入乙醇溶液中搅拌分散，得到混合溶液，再将硝酸溶液加入所述混合溶液中搅拌反应，得到氧化钒溶液；步骤4，将步骤2中得到的所述中空多孔碳球加入所述氧化钒溶液，再对含有所述中空多孔碳球的所述氧化钒溶液超声处理，得到预制备溶液；步骤5，将步骤4中得到的所述预制备溶液密封后进行水热反应，得到多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料，其中，在步骤4中，偏钒酸铵和乙醇溶液的质量体积比为0.2-0.3：35-45，超声处理的时间为3h-4h。

在本发明提供的多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，在步骤1中，水、乙醇、氨水(25wt％)、正硅酸四乙酯、间苯二酚、甲醛水溶液(37wt％)的质量比为138.1：25.0：6.8：8.0：1.0：1.5，在步骤5中，水热反应的温度为160℃-200℃，反应时间为12h-24h。