基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li-S电池中间层及制备方法技术

本发明专利技术涉及基于焦耳热合成的CNT复膜的Li

【技术实现步骤摘要】
基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层及制备方法


[0001]本专利技术涉及CNT薄膜
，具体涉及一种基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着电动汽车的快速发展，人们对车辆续航里程的要求也越来越高，提升车辆动力电池的容量迫在眉睫。有鉴于此，传统的电池材料，如钴酸锂，锰酸锂，钛酸锂已经无法满足整体发展的需求。因此，发展一种新的具有高比容量，高能量密度的电极材料成为目前的当务之急。硫单质在自然界中资源丰富、毒性低，作为正极材料，与金属锂组成的Li
‑
S电池体系可使质量和体积能量密度分别高达2600Wh
·
Kg
‑1和2800Wh
·
L
‑1，且具有1675mAh
·
g
‑1的理论比容量。
[0003]不过，Li
‑
S电池的缺点也十分明显。硫的导电性差，循环过程中正极体积易膨胀等等，其中充放电过程中正极产生的多硫化物易溶解到电解液中并扩散至负极，导致“穿梭效应”，影响Li
‑
S电池的循环稳定性，导致低的放电比容量及容量的快速衰减的最主要的因素。
[0004]锂硫电池能量密度低、循环寿命短主要有以下几个方面的原因：第一，正极活性物质单质硫是绝缘体，需在正极中加入大量导电剂，这虽然能够在一定程度上提高正极的性能，但非活性物质的加入，降低了电池的能量密度。第二，由于锂硫电池电化学反应的中间产物，高价态聚硫锂在有机电解液中具有高溶解性，放电终止时聚硫锂不能完全转化为固态产物，充电终止时只有少量的活性物质能够被氧化至单质硫，而大量活性物质则以高价态聚硫锂的形式存在于电解液中，所以现有锂硫电池的放电容量远低于理论容量。目前，国内针对该问题的主要解决办法集中在采用新型结构的碳导电剂，希望借助导电碳丰富的空隙结构提供高比表面积及超强吸附能力，限制聚硫锂从正极结构中溶出来，但是至今仍然没有一种理想的碳结构能够从根本上解决聚硫锂的溶出问题。第三，负极活性物质金属锂在充放电过程中与有机溶剂不断反应导致电解液枯竭，同时溶剂的分解产物会在负极和正极上沉积导致电极的钝化，并且金属锂在电池循环过程中反复的溶解和沉积导致表面粉化。为了提高负极的循环寿命，研究者致力于对锂的表面进行保护，希望通过物理方法或化学方法在锂表面生成保护层，来降低锂与溶剂的副反应及表面枝晶化，从而延长锂的使用寿命。第四，电解质盐在循环过程中会使正极活性物质氧化生成Li
x
SO
y
，导致活性物质的不可逆损失，从而降低了电池的能量密度和循环寿命。

技术实现思路

[0005]为了克服
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层及制备方法，在CNT薄膜的基础上通过焦耳热响应方式蒸发纳米金属颗粒而在CNT薄膜表面形成纳米金属膜，并通过牺牲薄膜骨架碳的方式，在惰性气氛中合成金属碳化物进而获得基于CNT薄膜焦耳热响应行为的功能性复合膜，并在复合膜与Li电极
之间设置3D玻璃纤维夹层、在S电极表面上贴附Al金属纳米膜，显著提升Li
‑
S电池中间层的导电效率，降低Li
‑
S电池中硫化锂在电介质中的物化化学抑制效果，显著提升电池中间层的电容量和能量密度，提高其储电性能和循环稳定性。
[0006]为实现本专利技术目的，采用的技术方案是：
[0007]基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层，包括有基于焦耳热合成的CNT复合膜，基于焦耳热合成的CNT复合膜的两侧分别贴附设置有Li金属负电极和S正电极，基于焦耳热合成的CNT复合膜与Li金属负电极之间贴附设置有3D玻璃纤维夹层，S正电极上不靠近基于焦耳热合成的CNT复合膜的那侧贴附设置有Al金属纳米膜。
[0008]其中，基于焦耳热合成的CNT复合膜包括有若干层CNT薄膜，CNT薄膜的基底上蒸发沉积有纳米金属膜层，CNT薄膜与纳米金属膜层之间合成设置有金属碳化物层。
[0009]其中，CNT薄膜通过浮动催化化学气相沉积法(CVD)制备得到，首先将马弗炉加热升温至1000℃，在其内部的石英管一端通入连续流动的乙炔气体、载气Ar/H2、催化剂，混合气氛在石英管内反应生成套筒状的CNT气凝胶，并在石英管的另一端出口处基底上收集得到CNT薄膜。
[0010]进一步地，CNT薄膜制备所用的催化剂为二茂铁和噻吩。
[0011]一种如上所述的基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层的制备方法，具体包括有以下步骤：
[0012]S1.涂覆：将复合金属纳米颗粒以流体形式涂覆在CNT薄膜的上表面，涂层厚度控制为10
‑
300000nm，将多层涂覆有复合金属纳米颗粒的CNT薄膜堆叠，各层之间保持一定的相等的距离；
[0013]S2.蒸发：将涂覆复合金属纳米颗粒的CNT薄膜置于真空腔室中，根据CNT薄膜的尺寸输入电功，促使CNT薄膜自发产生焦耳热响应，将复合金属纳米颗粒蒸发，控制蒸发温度和蒸发时间，将复合金属纳米颗粒沉积到上一层CNT薄膜基底上，形成纳米金属膜层；
[0014]S3.合成：将负载有纳米金属膜层的CNT薄膜转入真空或惰性气体环境中，根据CNT薄膜的尺寸输入电功，促使CNT薄膜自发产生焦耳热响应，牺牲CNT薄膜碳骨架而在CNT薄膜下表面形成金属碳化物层；
[0015]S4.组装：将制备得到的基于焦耳热合成的CNT复合膜、内表面贴附有3D玻璃纤维夹层的Li金属负电极和外表面贴附有Al金属纳米膜的S正电极组装成Li
‑
S电池，并在Li金属负电极、S正电极与基于焦耳热合成的CNT复合膜之间填装电池电解质，形成导通的Li
‑
S电池，即可得到基于Li
‑
S电池中间层的Li
‑
S电池。
[0016]其中，制备方法步骤1中复合金属纳米颗粒包括有W及其氧化物纳米颗粒、Mo及其氧化物纳米颗粒、Ti及其氧化物纳米颗粒中的一种或多种的混合物。
[0017]其中，制备方法步骤2中蒸发温度为1000
‑
3000℃，蒸发时间为60
‑
300s。
[0018]其中，制备方法步骤2中蒸发形成的纳米金属膜层厚度为5
‑
300000nm。
[0019]其中，制备方法步骤3中合成温度为1000
‑
3000℃，合成时间为60
‑
3000s。
[0020]其中，制备方法步骤3中合成形成的金属碳化物层厚度为3
‑
300000nm。
[0021]本专利技术的有益效果为：本专利技术的基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层在CNT薄膜的基础上通过焦耳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层，其特征在于：包括有基于焦耳热合成的CNT复合膜，基于焦耳热合成的CNT复合膜的两侧分别贴附设置有Li金属负电极和S正电极，基于焦耳热合成的CNT复合膜与Li金属负电极之间贴附设置有3D玻璃纤维夹层，S正电极上不靠近基于焦耳热合成的CNT复合膜的那侧贴附设置有Al金属纳米膜；所述基于焦耳热合成的CNT复合膜包括有若干层CNT薄膜，CNT薄膜的基底上蒸发沉积有纳米金属膜层，CNT薄膜与纳米金属膜层之间合成设置有金属碳化物层。2.根据权利要求1所述的基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层，其特征在于：所述CNT薄膜通过浮动催化化学气相沉积法(CVD)制备得到，首先将马弗炉加热升温至1000℃，在其内部的石英管一端通入连续流动的乙炔气体、载气Ar/H2、催化剂，混合气氛在石英管内反应生成套筒状的CNT气凝胶，并在石英管的另一端出口处基底上收集得到CNT薄膜。3.根据权利要求2所述的基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层，其特征在于：所述CNT薄膜制备所用的催化剂为二茂铁和噻吩。4.一种如权利要求1
‑
3中任一项所述的基于焦耳热合成的CNT复合膜的Li
‑
S电池中间层的制备方法，其特征在于：所述制备方法具体包括有以下步骤：S1.涂覆：将复合金属纳米颗粒以流体形式涂覆在CNT薄膜的上表面，涂层厚度控制为10
‑
300000nm，将多层涂覆有复合金属纳米颗粒的CNT薄膜堆叠，各层之间保持一定的相等的距离；S2.蒸发：将涂覆复合金属纳米颗粒的CNT薄膜置于真空腔室中，根据CNT薄膜的尺寸输入电功，促使CNT薄膜自发产生焦耳热响应，将复合金属纳米颗粒蒸发，控制蒸发温度和蒸发时间，将复合金属纳米颗粒沉积到上一层CNT薄膜基底上，形成纳米金属膜层；S3.合成：将负载有纳米金属膜层的CNT薄膜转入真空或惰性气体环境中，根据CN...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘建新，张陆贤，
申请(专利权)人：广德天运新技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：