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技术

本发明专利技术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。转化效率。转化效率。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]锂硫电池具有高的理论能量密度(2600Wh kg
‑
1)和比容量(1675 mAh 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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]本专利技术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。
[0007]在本专利技术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。
[0008]在本专利技术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2中，所述惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛。
[0009]在本专利技术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，具有这样的特征，还包括：纯化步骤，其中，所述纯化步骤的操作为：对所述多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料洗涤并干燥后，得到纯化后的所述多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料。
[0010]在本专利技术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，还具有这样的特征：其中，在纯化步骤中，干燥条件为真空，干燥温度为60℃
‑
120℃，干燥时间为6h
‑
12h。
[0011]本专利技术提供了一种多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料，具有这样的特征，包括：壳体和内核，其中，壳体由碳元素组成，厚度约为12nm，内核位于所述壳体内，由氧化钒组成，多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料由多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料的制备方法制备得到。
[0012]本专利技术提供了一种锂硫电池隔膜，具有这样的特征，包括：隔膜本体和修饰层，其中，所述修饰层覆盖在所述隔膜本体的表面，所述修饰层由多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料组成。
[0013]本专利技术提供了一种锂硫电池，具有这样的特征，包括：电池壳、对电极、工作电极、电解液和隔膜，其中，所述隔膜为锂硫电池隔膜。
[0014]专利技术的作用与效果
[0015]根据本专利技术所涉及的多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料 (以下简称多孔碳球材料)的制备方法，先制备得到中空多孔碳球作为多孔碳球材料的壳体，再将偏钒酸铵、乙醇溶液和硝酸溶液混合，得到氧化钒溶液后，再将中空多孔碳球加入氧化钒溶液，超声处理后氧化钒能够通过中空多孔碳球的通孔进入碳球内部，再密封进行水热反应，使氧化钒在中空多孔碳球内生长得到多孔碳球材料。本专利技术通过调节超声时间能够有效控制进入多孔碳球内部的氧化钒前驱体的量，能够在后续的水热过程中获得不同的纳米结构，进入多孔碳球内部的氧化钒前驱体的量不同，水热反应后生长的纳米结构形状大小也不同，从而实现纳米结构的人为可控，同时采用廉价的偏钒酸铵、乙醇和硝酸等为原料，制备成本低，整个制备过程操作简单，容易实现，易于工业化放大生产。
[0016]根据本专利技术所涉及的多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料 (以下简称多孔碳球材料)，包括壳体和封装在壳体内的内核，壳体由碳元素组成，厚度约为12nm，内核由氧化钒组成。根据本专利技术所涉及的一种锂硫电池隔膜，具有隔膜本体和涂覆在隔膜本体表面
的修饰层，修饰层由多孔碳球材料组成。多孔碳球材料以非极性的碳球作为表面层，对多硫化物具有很好的物理吸附作用，并在内层有硫的情况下会表现出极高的转化效率。而碳球内部的极性氧化钒会与多硫化物形成较强的化学键而锚定多硫化物，在碳层内部形成富硫的高浓度极化空间，产生一个极高的扩散势垒，从而切断多硫化锂向负极的扩散。同时在碳球的内部极小空间的硫浓度破坏了多硫化锂在碳层内外表面原来的正向浓度梯度场，进而保证碳层对多硫化物的吸附，有效地抑制“穿梭效应”，实现锂硫电池性能的极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料的制备方法，其特征在于，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到所述反应容器搅拌反应，再向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。2.根据权利要求1所述的多孔碳球封装氧化钒异质核壳球结构材料的制备方法，其特征在于：其中，在步骤1中，水、乙醇、氨水、正硅酸四乙酯、间苯二酚和甲醛水溶液的质量比为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
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：高国华，肖强凤，梁兴，纪明泽，倪洁，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：