一种夹层材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种夹层材料及其制备方法和用途，所述的夹层材料包括三维碳纳米纤维基底材料，所述的三维碳纳米纤维基底材料的表面和内部均分布有钴铁合金纳米颗粒，所述钴铁合金纳米颗粒为近球形结构。所述的制备方法包括将细菌纤维素凝胶片浸泡在金属盐水溶液中，得到前驱体，再将前驱体依次经冷冻干燥和高温煅烧处理后，得到所述的夹层材料。在本发明专利技术中，分散良好的合金纳米颗粒与石墨化碳网络的结合大大降低了接触电阻，不仅能通过碳网络的多孔结构有效接触可溶性中间多硫化物，促进硫的利用，而且还能加速含硫物种在电催化过程中的电化学动力学。化学动力学。化学动力学。

【技术实现步骤摘要】
一种夹层材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于电池
，涉及电池的夹层材料设计，尤其涉及一种夹层材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]目前，人类对能源的需求量急剧增加，不可再生能源的过度开采和使用导致了严重的环境问题，开发和利用可再生和可持续能源发电已引起人们的广泛关注。锂硫电池在20世纪60年代初首次提出，由于其高理论能量密度(2600Whkg
‑1)和比容量(1675mAhg
‑1)，引起了人们的广泛兴趣。而且，硫资源丰富，成本低，对环境友好，是一种很有前途的储能器件。尽管有这些优点，但也有一些缺点阻碍锂硫电池的实际应用。如硫/硫化锂的绝缘特性、单质S与还原产物Li2S的密度差异造成的正极材料严重的体积膨胀、锂枝晶的生长、多硫化物的梭形效应等不可避免的缺点严重阻碍了它的实际应用。其中，多硫化物的穿梭效应造成了活性材料不可逆损失，不仅降低了能源效率而且限制了锂硫电池的循环稳定性。
[0003]CN108598410B公开了一种锂硫电池夹层材料的制备方法。该方法包括以下步骤：将二水合钼酸钠与硫脲加入到去离子水中，配制成混合溶液A；另外，将二水合氯化铜(和硫脲)加入到去离子水中，得到溶液B；将A溶液与B溶液混合，得到溶液C，将溶液C加入到GO溶液中，混合后得到溶液D；该混合溶液D转移到以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中，将反应釜置于烘箱中，于180～220℃下保温2～30h，获得锂硫电池夹层材料。该专利技术克服了制备的锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”明显、锂硫电池的体积膨胀效应显著和电池的电化学性能不稳定等缺陷，简化了生产工艺。
[0004]CN110571392B公开了一种锂硫电池的功能性夹层材料及其制备方法，其中该功能性夹层材料主要由氨基介孔二氧化硅纳米片与黏合剂组成，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂相互混杂，其中，所述氨基介孔二氧化硅纳米片为经氨基修饰的、且具有介孔结构的二氧化硅纳米片，比表面积为750～1200cm2/g，所述氨基介孔二氧化硅纳米片与所述黏合剂两者的质量比为5/1～1/2。该专利技术通过对功能性夹层材料的组成成分、以及相应制备方法进行改进，能够同时有效解决锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”问题、及锂硫电池功能性夹层成分过多且制备方法复杂以及无法批量生产实现工业化的问题。
[0005]CN109742439B公开了一种新型锂硫电池多孔夹层材料、制备方法及应用，特别涉及一种将ZIF67与石墨烯特殊复合做为锂硫电池多孔夹层材料、制备方法及应用。该夹层材料由ZIF67与RGO两部分组成，ZIF67质量分数为20～60％，RGO质量分数在40％～80％。该制备方法通过简单的水热法和机械压缩合成三维还原氧化石墨烯/金属有机框架(RGO/ZIF67)薄膜，夹在隔板和硫基阴极之间起作用，作为捕获多硫化物物种的功能性夹层。
[0006]为了提高LSBs的实际循环性能，探索抑制聚硫化物穿梭效应的策略是我们亟待解决的问题。针对锂硫电池中多硫化物的穿梭效应，受自然界中蜘蛛网捕捉昆虫原理的启发，提出了物理阻隔和化学作用相结合的策略。虽然那些对多硫化物有吸附或分离作用的材料对多硫化物的穿梭效应有一定的抑制作用，但长链多硫化物向固体Li2S的转化仍然迟缓，
不利于提高电池的电化学性能。据研究，在隔膜和硫电极之间插入中间层，对现有锂
‑
硫电池系统改变最小的情况下，对延迟多硫化物的迁移具有积极的效果。因此，提供一种新型的功能性夹层材料非常有必要。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种夹层材料及其制备方法和用途，在本专利技术中，由细菌纤维素衍生的多孔碳网络不仅有助于将金属离子还原为金属，而且有助于容纳和限制原位形成的Co
‑
Fe合金。同时，原位生成的金属合金促进了碳的石墨化。分散良好的合金纳米颗粒与石墨化碳网络的结合大大降低了接触电阻，不仅能通过碳网络的多孔结构有效接触可溶性中间多硫化物，促进硫的利用，而且还能加速含硫物种在电催化过程中的电化学动力学。此外，Fe和Co物种之间的协同效应导致了优异的双功能催化活性。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种夹层材料，所述的夹层材料包括三维碳纳米纤维基底材料，所述的三维碳纳米纤维基底材料的表面和内部均分布有钴铁合金纳米颗粒，所述钴铁合金纳米颗粒为近球形结构。
[0010]在本专利技术中，分散良好的合金纳米颗粒与石墨化碳网络的结合大大降低了接触电阻，不仅能通过碳网络的多孔结构有效接触可溶性中间多硫化物，促进硫的利用，而且还能加速含硫物种在电催化过程中的电化学动力学。
[0011]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的三维碳纳米纤维基底材料为多孔碳结构。
[0012]优选地，所述的三维碳纳米纤维基底材料为细菌纤维素衍生得到。
[0013]优选地，所述的三维碳纳米纤维基底材料上设置有吸附位点，所述的吸附位点用于吸附钴铁合金纳米颗粒。
[0014]优选地，所述的三维碳纳米纤维的直径为8～12μm，例如可以是8μm、9μm、10μm、11μm、12μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0015]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述钴铁合金纳米颗粒中负载有活性位点。
[0016]优选地，所述的活性位点为Co
x
Fe
y
，其中，x：y为1：1或3：7。
[0017]优选地，所述的活性位点为近球形结构。
[0018]优选地，所述的钴铁合金纳米颗粒的直径为30～50nm，例如可以是30nm、32nm、34nm、36nm、38nm、40nm、42nm、44nm、46nm、48nm、50nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]第二方面，本专利技术提供了一种第一方面所述的夹层材料的制备方法，所述夹层材料的制备方法包括如下步骤：
[0020]将细菌纤维素凝胶片浸泡在金属盐水溶液中，得到前驱体，再将前驱体依次经冷冻干燥和高温煅烧处理后，得到所述的夹层材料。
[0021]需要说明的是，在本专利技术中，通过引入亲水性极强的细菌纤维素凝胶片，通过选用不同的凝胶厚度和离子浸泡浓度，实现一步构筑复合材料前驱体，具有三维或二维材料的混合优势，具有广阔的应用范围。
[0022]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述的金属盐包括钴盐和铁盐。
[0023]优选地，所述的钴盐为六水合氯化钴或六水合硝酸钴。
[0024]优选地，所述的铁盐为六水合氯化铁或六水合硝酸铁。
[0025]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述溶液的浓度为1～5mmol/L，例如可以是1mmol/L、2mmol/L、3mmol/L、4mmol/L、5mmol/L，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0026]优选地，所述的浸泡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种夹层材料，其特征在于，所述的夹层材料包括三维碳纳米纤维基底材料，所述的三维碳纳米纤维基底材料的表面和内部均分布有钴铁合金纳米颗粒，所述钴铁合金纳米颗粒为近球形结构。2.根据权利要求1所述的夹层材料，其特征在于，所述的三维碳纳米纤维基底材料为多孔碳结构；优选地，所述的三维碳纳米纤维基底材料为细菌纤维素衍生得到；优选地，所述的三维碳纳米纤维基底材料上设置有吸附位点，所述的吸附位点用于吸附钴铁合金纳米颗粒；优选地，所述的三维碳纳米纤维的直径为8～12μm。3.根据权利要求1或2所述的夹层材料，其特征在于，所述钴铁合金纳米颗粒中负载有活性位点；优选地，所述的活性位点为Co
x
Fe
y
，其中，x：y为1：1或3：7；优选地，所述的活性位点为近球形结构；优选地，所述的钴铁合金纳米颗粒的直径为30～50nm。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述的夹层材料的制备方法，其特征在于，所述夹层材料的制备方法包括如下步骤：将细菌纤维素凝胶片浸泡在金属盐水溶液中，得到前驱体，再将前驱体依次经冷冻干燥和高温煅烧处理后，得到所述的夹层材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的金属盐包括钴盐和铁盐；优选地，所述的钴盐为六水合氯化钴或六水合硝酸钴；优选地，所述的铁盐为六水合氯化铁或六水合硝酸铁。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述溶液的浓度为1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宝，高宁，李文彪，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：