一种复合层及其制备方法和锂硫电池技术

本发明专利技术提供一种复合层及其制备方法和锂硫电池。所述复合层包括互相缠绕的三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维以及包覆于所述三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维上的聚合物。本发明专利技术将三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维进行原位复合，构建了一种集高导电性、强吸附性和高效催化功能于一体的复合层。其中，碳纳米纤维能够提供三维导电传输网络，能够有效传输电子和锂离子。聚合物能够对复合层表面进行改性处理，综合提高复合层的稳定性。复合层能够充分缓解锂硫电池中多硫化物的穿梭效应，提高对多硫化物的吸附能力和促进其转化，最终使得锂硫电池展现出良好的倍率性能以及循环稳定性。良好的倍率性能以及循环稳定性。良好的倍率性能以及循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种复合层及其制备方法和锂硫电池


[0001]本专利技术属于锂硫电池材料
，具体涉及一种复合层及其制备方法和锂硫电池。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备和电动汽车的普及，高能量密度的二次电池的开发也逐渐加快。近几十年来，锂硫电池因其高达2567Wh kg
−1的理论能量密度而备受关注。此外，正极中S元素具有储量丰富、成本低和毒性小等优点。然而，由于S和Li2S的绝缘特性、充放电过程中体积变化大以及多硫化物（LiPSs）的穿梭效应，限制了锂硫电池的进一步发展。特别是LiPSs的溶解和转化所产生的穿梭效应，导致电池严重的过充、表面失活和锂枝晶等问题，进而使得电池在充放电循环过程中库仑效率较低和比容量快速衰减。因此，为了提高锂硫电池的性能，抑制多硫化物的穿梭效应是有效的解决途径之一。
[0003]为了解决上述问题，研究人员采用在正极和隔膜之间引入保护层是一种有效的策略，能够抑制穿梭效应，并提供LiPSs转换的反应位点，从而减少活性物质的损失和提高电池的循环稳定性。保护层材料需要满足不仅能对LiPSs具备较强的吸附能力，产生物理屏障，阻止穿梭效应，还具有高反应活性或催化效率，促进LiPSs的进一步转化，同时保护层材料有高离子和电子导电性，以此提高速率性能。然而，尽管已经研究了许多材料来缓解多硫化物的穿梭效应，但目前采用的单组分保护层很难具备上述性能。
[0004]因此，在本领域中，需要开发一种低成本和绿色环保的保护层材料，不仅能够具备能够克服锂硫电池穿梭效应的能力，还提高了多硫化物的吸附与转化，进而提升锂硫电池的倍率性能和循环稳定性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种复合层及其制备方法和锂硫电池。复合层能够充分缓解锂硫电池中多硫化物的穿梭效应，提高对多硫化物的吸附能力和促进其转化，最终使得锂硫电池展现出良好的倍率性能以及循环稳定性。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种复合层，所述复合层包括互相缠绕的三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维以及包覆于所述三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维上的聚合物。
[0007]本专利技术将三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维进行原位复合，构建了一种集高导电性、强吸附性和高效催化功能于一体的复合层。其中，碳纳米纤维能够提供三维导电传输网络，能够有效传输电子和锂离子，促进多硫化物的转换和加快锂离子的扩散速率。聚合物能够对复合层表面进行改性处理，弥补三氧化二钒导电性能差和稳定性差的缺陷，综合提高复合层的稳定性。
[0008]优选地，所述聚合物为聚多巴胺。
[0009]优选地，所述碳纳米纤维为细菌纤维素烧结碳化制得。
[0010]优选地，所述复合层的厚度为5μm
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50μm，进一步优选为10μm
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20μm，例如可以为5μm，10μm，20μm，30μm，40μm或50μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0011]第二方面，本专利技术提供了一种制备根据第一方面所述的复合层的方法，所述方法包括以下步骤：（1）将V2O5纳米纤维、细菌纤维素和溶剂进行混合，加入多巴胺溶液抽滤后得到前驱体材料；（2）将前驱体材料进行冷冻干燥和烧结，得到所述复合层。
[0012]本专利技术利用抽滤法直接将复合层抽滤成型，不需要经过进一步的涂覆处理，减少了粘结剂的使用，同时操作简单。
[0013]优选地，所述步骤（1）中V2O5纳米纤维和细菌纤维素的质量比为(0.8
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5):(5
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0.8)，进一步优选为(0.8
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1.2):(1.2
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0.8)，例如可以为5:1，3:1，2:1，1:1，0.8:1.2，1:2，1.2:0.8，1:3或1:5，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0014]在本专利技术中，通过调整原料中V2O5纳米纤维和细菌纤维素的比例在特定的范围能够提高对多硫化物的吸附以及转化作用，进而提升锂硫电池的循环性能。
[0015]优选地，所述步骤（1）中溶剂为去离子水。
[0016]优选地，所述步骤（2）中烧结的温度为400℃
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800℃，进一步优选为550℃
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650℃，例如可以为400℃，500℃，550℃，600℃，650℃，700℃或800℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0017]在本专利技术中，通过选择特定的烧结温度范围，制备得到的复合层烧结温度过低时反应不完全，反之则会使得复合层变脆，韧性变差。
[0018]优选地，所述步骤（2）中烧结的时间为1h
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5h，进一步优选为1.5h
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2.5h，例如可以为1h，1.5h，2h，2.5h，3.5h，4.5h或5h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0019]第三方面，本专利技术提供了一种锂硫电池，所述锂硫电池包括硫正极、保护层、隔膜、电解质和负极。
[0020]优选地，所述保护层包括根据第一方面所述的复合层。
[0021]优选地，所述保护层位于硫正极表面或硫正极与隔膜之间。
[0022]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供了一种复合层，V2O3纳米线针对多硫化物的吸附和催化转化中具有很好的效果，而碳纳米纤维和聚合物能够弥补其电导率差的缺点，加入的聚合物能够保证其在充放电过程中的形貌稳定性，提高了锂硫电池的循环稳定性，并且由V2O3纳米线和碳纳米纤维组成的纳米线互穿网络能够起到缓冲充放电过程中多硫化物转化带来的体积变化；另外利用抽滤法直接将复合层抽滤成型，不需要经过进一步的涂覆，减少了粘结剂的使用，步骤和原料简单，并易于合成，在制备过程中大大降低了成本，有利于大规模生产。
附图说明
[0023]图1为实施例1制备的复合层的表面扫描电镜照片；图2为实施例1制备的复合层的侧面扫描电镜照片；
图3为实施例2制备的复合层的表面扫描电镜照片；图4为实施例4制备的复合层的侧面扫描电镜照片；图5为实施例1制备的复合层所组装的锂硫电池在倍率为0.2C下的循环性能图；图6为对比例1制备的复合层所组装的锂硫电池在倍率为0.2C下的循环性能图；图7为对比例2制备的复合层所组装的锂硫电池在倍率为0.2C下的循环性能图。
具体实施方式
[0024]下面通过结合附图和具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本专利技术，不应视为对本专利技术的具体限制。
[0025]实施例1
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8中多巴胺溶液是通过三羟甲基氨基甲烷溶液与盐酸多巴胺在500mL水溶液中调节PH=8.5时聚合而成，其中盐酸多巴胺的添加量可以为20mg至500mg，优选为90mg至110mg，例如可以为20mg，50mg，70mg，90本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合层，其特征在于，所述复合层包括互相缠绕的三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维以及包覆于所述三氧化二钒纳米线和碳纳米纤维上的聚合物。2.根据权利要求1所述的复合层，其特征在于，所述聚合物为聚多巴胺。3.根据权利要求1或2所述的复合层，其特征在于，所述碳纳米纤维为细菌纤维素烧结碳化制得。4.根据权利要求1所述的复合层，其特征在于，所述复合层的厚度为5μm
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50μm。5.一种制备权利要求1
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4中任一项所述的复合层的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：（1）将V2O5纳米纤维、细菌纤维素和溶剂进行混合，加入多巴胺溶液抽滤后得到前驱体材料；（2）将前驱体材料进行冷冻干燥和烧结，得到所述复合层。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡超权，王宝，赵婕，
申请(专利权)人：中科南京绿色制造产业创新研究院，
类型：发明
国别省市：