[发明专利]中空金属氮化物/碳微球复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种中空金属氮化物/碳微球复合材料及其制备方法和应用，将含有氨基的有机分子、金属羰基化合物和有机溶剂混合搅拌；在惰性气体保护下，超声反应；洗涤、烘干，得到前驱体；将其与苯酚搅拌熔融后加入水和甲醛溶液；继续搅拌并加入NaOH调节pH；加入乙醇和二氧化硅纳米分散液搅拌均匀，喷雾干燥，收集所得粉末材料；在惰性气体气氛下焙烧，自然降温后，用氢氧化钠水溶液刻蚀，然后洗涤、干燥，得到目标产物。与现有技术相比，本发明无需使用易爆氨气作为氮源，并且具有生产效率高，产量大，易于工业化等优点；经测试该材料作为硫正极载体和隔膜修饰层所组装的锂硫电池具有较高的容量循环稳定性，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于纳米材料合成技术领域，涉及锂硫电池隔膜改性，尤其涉及一种中空金属氮化物/碳微球复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池由于其高容量、低成本和环境友好等特点而有望成为下一代储能及动力二次电池。然而，锂硫电池在实践中的应用仍受到诸多限制，主要存在以下问题：多硫化锂中间产物的穿梭效应、硫的导电性差，硫在锂化过程中的体积膨胀以及锂枝晶的问题。其中多硫化锂的穿梭效应是阻碍锂硫电池正极发展的主要问题。隔膜是锂硫电池的重要组成部分。商业聚烯烃隔膜孔尺寸较大，不能抑制Li₂S_n在锂硫电池中的穿梭效应。

发明内容

如果在隔膜和正极之间构筑一层阻挡层，既保证锂离子的快速传输，又强烈限制LiPSs的迁移，就可以很好地抑制“穿梭效应”，同时该阻挡层可以作为“第二集流体”实现多硫化锂的捕获和二次转化，提高活性硫的利用率。

金属氮化物(MoN、Mo₂N或Mo₃N₂)具有与贵金属类似的电子结构，是一种优良的电催化剂。碳基材料由于成本低、导电性好、易加工等优点被认为是优异的硫宿主材料。因此，将金属氮化物与碳基材料复合用于隔膜改性，既能够有效的阻挡LiPSs的穿梭，又能高效的传输电子和离子，从而提升锂硫电池的电池容量以及循环稳定性。

本发明的目的就是针对目前锂硫电池中多硫化锂穿梭及活性硫利用率低等不足而提供一种中空金属氮化物/碳微球复合材料及其制备方法和应用。本发明利用喷雾干燥制备高性能中空金属氮化物/碳微球复合材料，制备得到的材料应用于锂硫电池的正极和隔膜修饰，可以在硫正极和隔膜间建立一层具有吸附和催化效应的功能化夹层，有效抑制穿梭效应，催化多硫化锂的原位反应，提高硫的利用率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供一种中空金属氮化物/碳微球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：前驱体制备：

S11：将含有氨基的有机分子、金属羰基化合物和有机溶剂混合搅拌；

S12：在惰性气体保护下，超声反应；

S13：洗涤、烘干，得到前驱体；

S2：喷雾干燥：

S21：将所得前驱体和苯酚搅拌熔融后加入水和甲醛溶液；

S22：继续搅拌并加入NaOH调节pH；

S23：加入乙醇和二氧化硅纳米分散液搅拌均匀，喷雾干燥，收集所得粉末材料；

S3：将所得粉末材料在惰性气体气氛下焙烧，自然降温后收集材料，采用氢氧化钠水溶液对材料进行刻蚀，然后洗涤、干燥，得到所述的中空金属氮化物/碳微球复合材料。

优选地，步骤S1中，所述的含有氨基的有机分子包括尿素、三聚氰胺、乙醇胺、乙二胺或异丙胺。

优选地，步骤S1中，所述的金属羰基化合物包括羰基铁、羰基钼、羰基钴、羰基镍和羰基钨中的至少一种。