[发明专利]一种锂硫电池用正极侧隔层材料的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂硫电池正极侧隔层材料的制备方法。以聚丙烯腈、钴盐、硫脲和氧化石墨烯为原料，通过静电纺丝、预氧化、碳化、电沉积CoS、电沉积并还原氧化石墨烯，得到能够截留多硫化物、缓解锂硫电池穿梭效应的RG@CoS@C膜(锂硫电池正极侧隔层材料)，将RG@CoS@C膜插入锂硫电池正极和聚丙烯隔膜之间作为隔层，则RG@CoS@C隔层利用其CoS纳米片和石墨烯(RG)之间的“协同作用”能高效截留、吸附多硫化物，催化转化多硫化物，阻止其由锂硫电池正极向负极传递，从而缓解锂硫电池的穿梭效应，提高电池性能及循环寿命。以该膜为隔层的锂硫电池具有优异的储能性能，1.0C电流密度下初始放电比容为942.7mA h g^‑1，循环150圈后，每圈的容量损失率为0.02％，库伦效率接近100％。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极侧隔层材料领域，具体涉及一种碳纳米纤维膜、硫化钴和石墨烯复合材料作为锂硫电池正极侧隔层材料的制备方法和应用。

背景技术

随着社会的快速发展，对能源的需求也越来越高，尤其是太阳能、风能以及潮汐能等的充分利用对储能技术提出了更高的要求。锂离子电池，钠离子电池和锂硫电池等作为一种有效储能技术手段得到了广泛的研究。锂离子电池具有能量密度高、充电效率高、温度特性良好、自放电低和无记忆效应等的优点，在电子产品、新能源汽车、无人飞行器等领域得到了广泛应用。但锂离子正极材料的能量密度较低并且已接近理论极限，很难满足社会进一步发展的需要。因此，发展和探索新一代高容量锂电池材料以推动新能源设备的广泛应用仍然十分必要。

在锂金属电池中，锂硫电池以其1672mA h g^-1的理论容量和2600Wh kg^-1的理论能量密度备受瞩目，是一种前景可观的储能设备。此外，硫的自然储量丰富，成本低廉，环境友好，因此，锂硫电池极具大规模储能应用的潜力。但锂硫电池在实际应用中仍然面临多硫化物的穿梭效应问题。在锂硫电池循环过程中，长链多硫化锂Li₂S_x(4x≤8)在电解液中具有极高的溶解度，在浓度梯度的驱使下多硫化物向金属锂负极迁移，并在负极形成短链多硫化锂Li₂S_x(1x≤2)，导致活性物质和可逆容量的永久损失，锂金属的快速腐蚀。多硫化锂在正负极之间迁移，即“穿梭效应”。“穿梭效应”是导致锂硫电池库伦效率低的主要因素，严重的“穿梭效应”会导致充电效率低，循环寿命缩短，安全性能下降等问题。添加正极侧隔层是缓解锂硫电池穿梭效应行之有效的方法，目前的研究集中于单一因素的改进优化，效果有限，如何对隔层的结构进行综合优化，对于锂硫电池实际应用具有重要意义。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种锂硫电池正极侧隔层材料的制备方法和应用，锂硫电池正极侧隔层材料为功能化隔层材料，该隔层由包覆有还原氧化石墨烯涂层(RG)的超薄CoS纳米片和碳纳米纤维膜组成，通过简单的静电纺丝技术和电沉积技术制成。通过电纺聚丙烯腈(PAN)获得的碳纳米纤维膜具有高孔隙率，高比表面积和良好的导电性。电沉积引入的RG覆盖层紧密地原位包裹在CoS纳米片上。并且，通过电沉积方法引入的石墨烯不会对CoS产生屏蔽效应，而且存在大量缺陷位点，这些缺陷位点降低了对硫化物的催化反应能垒，大大提高了多硫化物的催化转化率。另外，纳米片状的CoS被RG层紧紧地固定和包裹，并且通过电沉积整合到碳纳米纤维膜上，RG层的包裹不仅引入缺陷位点得到了更多的耦合界面，并且有效提高了CoS的导电性，这两种不同材料的耦合能够有效地催化多硫化物，从而进一步减轻穿梭效应并提高多硫化物的利用率。暴露在RG缺陷处的CoS纳米片容易吸附Li⁺，从而促进S₈转化为Li₂S。石墨烯层不仅提高了材料的导电性，而且还促进了Li⁺的转移，从而协同降低了Li₂S的分解能垒。两种材料的协同作用可以大大改善Li-S电池的电化学性能。

为实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：