[发明专利]氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法

说明书

一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明首先采用水热方法制备Fe₂N/N‑rGO复合材料，然后将其与粘结剂聚偏氟乙烯溶于N‑甲基吡咯烷酮中，混合均匀后涂覆在商业隔膜的一侧表面上，真空40～60℃下干燥10～15小时后用冲压机压成圆片，得到涂有Fe₂N/N‑rGO复合材料的隔膜，然后进行锂硫电池的组装，得到氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池。本发明首次将Fe₂N/N‑rGO复合材料用于修饰锂硫电池的隔膜，使锂硫电池具有优异的电化学性能，所制备的锂硫电池比容量高，循环性能稳定以及倍率性能良好。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法。

背景技术

开发利用化石能源所带来的环境污染和化石能源的快速消耗所导致的资源枯竭是人们亟待解决的问题，为此寻找新型能源已经成为大家的共识。锂离子电池由于其电压高、充放电寿命长、自放电小等优势被广泛应用于手机、电脑等便携式小型电器中。然而锂离子电池成本较高，而且受到嵌入-脱出反应机制的限制，电池的容量和比能量无法得到进一步提升。因此必须构建新型高能量密度的二次电池体系。

锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg，约是锂离子电池的5倍。而且硫的地壳储量丰富、成本低廉、环境友好。因此，锂硫电池被认为是极具发展前景的下一代电池体系。但是在充放电过程中，锂硫电池的中间产物多硫化物(Li₂S_x，4≤x≤8)溶解在电解液中，并在正负极之间来回迁移形成穿梭效应。同时在负极侧生成不可逆的Li₂S沉积，造成活性物质利用率低，电池循环寿命差。为了克服这些问题，人们采取了许多措施，如设计硫载体、优化电解液体、对锂负极进行保护。此外，对隔膜进行修饰也可有效抑制多硫化物扩散到负极侧，提高活性物质利用率。

本发明将氮化铁纳米颗粒(Fe₂N)原位生长在还原氧化石墨烯片(rGO)上，制备了Fe₂N/N-rGO复合材料，并将其首次应用在锂硫电池的隔膜修饰上，获得了优异的循环和倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化铁纳米颗粒原位生长在还原氧化石墨烯上作为修饰隔膜材料的锂硫电池及其制备方法，其步骤如下：

1)制备Fe₂N/N-rGO复合材料

将200～250mg石墨烯分散于40～60mL的去离子水中，标记为A溶液；将180～220mg的九水硝酸铁和100～140mg的脲溶于15～30mL的去离子水中，搅拌均匀后逐滴加入到A溶液中；然后将得到的混合溶液在180～220℃条件下水热反应10～15小时，待降到室温后，将产物洗涤和冻干；最后，在氨气气氛下以1.5～3℃/min的升温速率加热至700～800℃，热处理2～4小时后得到Fe₂N/N-rGO复合材料；

2)Fe₂N/N-rGO隔膜的制备

将步骤1)得到的Fe₂N/N-rGO复合材料和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比9～12：1溶于N-甲基吡咯烷酮中，混合均匀后涂覆在商业隔膜(Celgard 2320)的一侧表面上，真空40～60℃下干燥10～15小时后用冲压机压成圆片，得到涂有Fe₂N/N-rGO复合材料的隔膜，Fe₂N/N-rGO的负载量为0.20～0.30mg/cm²；

3)含Fe₂N/N-rGO隔膜的锂硫电池的组装