一种基于高氮掺杂碳复合石墨烯材料的隔膜及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于高氮掺杂碳复合石墨烯材料的隔膜及其制备方法与应用，属于隔膜材料领域。本发明专利技术所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜中，所述隔膜表面负载了含有高氮掺杂碳复合石墨烯材料的修饰层，当应用在锂硫电池上时，相比于现有隔膜产品可更有效地抑制多硫化物的穿梭效应，显著改善锂硫电池的电化学循环性能和稳定性能。本发明专利技术还公开了所述产品的制备方法，该方法操作步骤简单，对设备及环境要求低。本发明专利技术还公开了包含所述含高氮掺杂碳材料的复合隔膜的锂硫电池。掺杂碳材料的复合隔膜的锂硫电池。

【技术实现步骤摘要】
一种基于高氮掺杂碳复合石墨烯材料的隔膜及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及隔膜材料领域，具体涉及基于高氮掺杂碳复合石墨烯材料的隔膜及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]自1990年以来，锂离子电池在便携式电子设备中取得了巨大成功。然而，研究人员已经达成共识，传统的锂离子电池无法满足未来科技对高能量密度的要求，如电动汽车和无人机。在目前正在开发的其它电池体系中，锂硫电池被认为是下一代储能系统的潜在候选，其理论能量密度高达2600Wh kg
‑1(几乎是传统锂离子电池的5倍)，同时具有低成本和环保的优势。尽管具有上述优势，锂硫电池的实际应用也面临诸多挑战，包括硫的低导电率，充放电循环过程中的巨大体积变化，特别是多硫化物的溶解和穿梭问题，即“穿梭效应”，会导致活性材料损失和循环性能差等一系列问题。抑制“穿梭效应”仍是阻碍锂硫电池商业化的主要挑战。
[0003]隔膜是锂硫电池的重要组成部分。它作为一个电子绝缘体来分隔阴极和阳极，以避免内部短路，同时允许锂离子传输。传统的隔膜具有微米级的孔径，难以抑制多硫化物的扩散和穿梭。近年来，研究者们发现，将传统隔膜功能化，即将具有抑制“穿梭效应”能力的涂层负载到传统隔膜上，或直接开发功能化的隔膜代替传统隔膜，是缓解“穿梭效应”的一种可行且有效的方法。近年来报道过的隔膜(或隔膜修饰)材料包括碳、金属化合物、MOF材料等。这些材料通常具有以下一种或几种功能：
[0004](1)通过物理或化学作用捕获多硫化锂；
[0005](2)通过降低电化学反应中多硫化物中间体转化的能垒，加速硫氧化还原反应动力学；
[0006](3)具有良好的导电性，增强活性物质的利用率；
[0007](4)多孔性以利于锂离子的传输。
[0008]然而目前开发具有上述多种功能的材料用于锂硫电池隔膜仍具有挑战性。

技术实现思路

[0009]基于现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供了一种含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜，该产品所述隔膜表面负载了含有高氮掺杂碳复合石墨烯材料的修饰层，当应用在锂硫电池上时，可有效抑制多硫化物的穿梭效应，显著改善锂硫电池的电化学性能。
[0010]为了达到上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0011]一种含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜，包括聚合物隔膜和修饰层，所述修饰层包括高氮掺杂碳复合石墨烯材料；
[0012]所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料为含氮碳与石墨烯的复合物，比表面积为200～
850m2/g，孔体积为0.1～0.31cm3/g，氮含量为10～26wt％。
[0013]本专利技术所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜中，在聚合物隔膜上添加含有高氮掺杂碳复合石墨烯材料的修饰层，该材料含氮量高，在产品应用于锂硫电池时，氮原子对锂硫电池充放电生成的多硫化物具有较强的静电吸引力，从而对多硫化物形成锚定；同时由于该材料组分中含有石墨烯，其整体呈现层状结构，可进一步拦截未被锚定的多硫化物，最终减少穿梭效应的发生，同时该结构也可充当锂硫电池中的第二集流体，提供额外的导电网络，使得电池的电化学性能提升。所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料比表面积高，孔洞结构丰富，在锂硫电池充放电过程中可促进锂离子的扩散及电解质的渗透，电池的比容量和循环稳定性均显著提高。
[0014]优选地，所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜中高氮掺杂碳复合石墨烯材料的负载量为0.08～0.24mg/cm2。
[0015]本专利技术所述产品中，高氮掺杂碳复合石墨烯材料的负载在极少量下即可有效抑制锂硫电池在充放电过程中的穿梭效应，经专利技术人研究，以上述负载量效果最佳。
[0016]优选地，所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：
[0017]将三聚氰胺和对苯二甲醛混合并使用有机溶剂搅拌溶解，随后加入氧化石墨烯并在惰性气氛保护下175～185℃搅拌反应50～80h，经冷却、过滤、洗涤、干燥后，得前驱体A；将前驱体A在氮气气氛中800～850℃保温1～1.5h，即得高氮掺杂碳复合石墨烯材料。
[0018]本专利技术所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料的制备方法中，氧化石墨烯作为结构骨架充分浸渍结合三聚氰胺和对苯二甲醛溶解后的含氮碳前驱体原料，待完全反应及煅烧后，无定型且孔隙率较大的含氮碳原位生成并包覆在石墨烯表面，使得制备的高氮掺杂碳复合石墨烯材料既保留了石墨烯的片层结构，其表面孔洞数量也显著增多；所述材料的制备方法相比于其他现有的隔膜修饰材料步骤更少(一步法合成)，操作更加简单。
[0019]优选地，所述三聚氰胺、对苯二甲醛和氧化石墨烯三者的质量之比为(0.633～0.643)：(1.0205～1.0405)：(0.2～0.21)。
[0020]优选地，所述有机溶剂为二甲基亚砜。
[0021]本专利技术的另一目的还在于提供所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜的制备方法，包括以下步骤：
[0022](1)将高氮掺杂碳复合石墨烯材料和PVDF(聚偏氟乙烯)共同分散至NMP(N
‑
甲基吡咯烷酮)中并超声处理，得混合液A；
[0023](2)以聚合物隔膜作为基底，将步骤(1)所得混合液A进行抽滤处理，取下基底干燥，即得所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜。
[0024]本专利技术所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜的制备方法操作简单，仅依靠物理抽滤的方法即可实现对聚合物隔膜的修饰层负载，对设备及环境要求较低，可实现工业化规模生产。
[0025]优选地，所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料、PVDF的质量与NMP的体积之比为：(9～11)mg：(1～1.3)mg：(50～55)mL。
[0026]本专利技术的再一目的在于提供一种锂硫电池，包含本专利技术所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜。
[0027]本专利技术所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜相比于现有碳基材料修饰
的隔膜产品对锂硫电池充放电产生的多硫化物吸附性和阻挡性更高，因此在应用后的锂硫电池具有更好的电化学循环性能和稳定性能。
[0028]本专利技术的有益效果在于，本专利技术提供了一种高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜，该产品所述隔膜表面负载了含有高氮掺杂碳复合石墨烯材料的修饰层，当应用在锂硫电池上时，相比于现有隔膜产品可更有效地抑制多硫化物的穿梭效应，显著改善锂硫电池的电化学循环性能和稳定性能。本专利技术还提供了所述产品的制备方法，该方法操作步骤简单，对设备及环境要求低。本专利技术还提供了包含所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜的锂硫电池。
附图说明
[0029]图1为本专利技术所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜中高氮掺杂碳复合石墨烯材料的XRD特征谱图；
[0030]图2为本专利技术所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜中高氮掺杂碳复合石墨烯材料的氮气吸脱附等温曲线图；
[0031]图3为本专利技术所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜中高氮掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜，其特征在于，包括聚合物隔膜和修饰层，所述修饰层包括高氮掺杂碳复合石墨烯材料；所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料为含氮碳与石墨烯的复合物，比表面积为200～850m2/g，孔体积为0.1～0.31cm3/g，氮含量为10～26wt％。2.如权利要求1所述的含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜，其特征在于，所述含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜中高氮掺杂碳复合石墨烯材料的负载量为0.08～0.24mg/cm2。3.如权利要求1所述的含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复合隔膜，其特征在于，所述高氮掺杂碳复合石墨烯材料的制备方法，包括以下步骤：将三聚氰胺和对苯二甲醛混合并使用有机溶剂搅拌溶解，随后加入氧化石墨烯并在惰性气氛保护下175～185℃搅拌反应50～80h，经冷却、过滤、洗涤、干燥后，得前驱体A；将前驱体A在氮气气氛中800～850℃保温1～1.5h，即得高氮掺杂碳复合石墨烯材料。4.如权利要求3所述的含高氮掺杂碳复合石墨烯材料的复...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，张振宇，林展，徐娟，林铮，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：