CN109037554A - 一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜及其制备方法和锂硫电池 - Google Patents

一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜及其制备方法和锂硫电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜，其表面积为30～250m2/g，厚度为100～350μm，面密度为2～10mg/cm2，Ni含量为2％～15％。该Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：(1)将聚丙烯腈和镍盐加入N,N‑二甲基乙酰胺溶液中使其完全溶解，得到纺丝液；(2)采用静电纺丝技术将所述纺丝液制备成前驱体纤维膜，再将前驱体纤维膜进行预氧化处理，再进行热处理，即得到所述Ni/C复合纳米纤维膜。本发明制备的Ni/C复合纳米纤维膜应用到锂硫电池中，在充放电过程中，利用多孔碳对多硫化物吸附，金属Ni对多硫化物的催化，二者协同作用，提高锂硫电池的倍率性能。

Description

一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜及其制备方法和 锂硫电池
技术领域
本发明属于锂电池领域，尤其涉及一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜及其制备方法和锂硫电池。
背景技术
锂硫电池具有高比能量、环境友好等优点，有望成为新一代高能电池体系。以单质硫为正极、金属锂为负极的锂硫电池理论比能量可达到2600Wh/Kg，远大于目前商业化二次电池。但是，目前锂硫电池存在最严峻的问题是在充放电过程中，单质硫与负极锂反应生成系列多硫化物，这些多硫化物溶于有机电解液而发生“穿梭效应”，导致电池放电比容量低、循环寿命短，极大阻碍了锂硫电池的实际应用。
为了解决上述问题，研究者通常采用纳米结构导电碳、半导体纳米氧化物添加剂、导电聚合物和纳米金属对硫正极材料进行改性，提高电池电化学性能。但是纳米结构导电碳难从根本上解决锂硫电池充放电过程产物多硫化物的溶出问题，而半导体纳米氧化物添加剂，对改善硫电极的导电性作用有限。导电聚合物多采用聚吡咯、聚苯胺等，材料制备复杂、成本较高。研究人员(Scientific Repots,2015,5:8763；Electrochimica Acta,2015,176:442-447)发现金属镍对硫正极改性，不仅提高了硫正极的电子电导，同时还对多硫化物具有催化作用，抑制多硫化物“穿梭效应”，提高锂硫电池的倍率和循环性能。但上述工作多为锂硫电池正极方面改性，这些改性往往会降低硫在整个电极中的比重，影响锂硫电池的能量密度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜及其制备方法和锂硫电池。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜，所述Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为30～250m2/g，厚度为100～350μm，面密度为2～10mg/cm2，Ni含量为2％～15％。而目前普通的极片厚度在100um左右，质量为11mg左右，由此可以算出与极片厚度相同的情形下，Ni/C复合纳米纤维膜只有2.26mg，与普通极片相比，质量减轻四倍，提高了电池的能量密度，而且较高比表面积的Ni/C复合纳米纤维膜能够通过比表面积的物理吸附提高电池的电化学性能。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈和镍盐加入N,N-二甲基乙酰胺溶液中使其完全溶解，得到纺丝液；
(2)采用静电纺丝技术将所述得到的纺丝液制备成前驱体纤维膜，再将前驱体纤维膜进行预氧化处理，再进行热处理，即得到所述Ni/C复合纳米纤维膜。
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，静电纺丝时，进料速度控制在0.3～0.6mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为10～18cm，电压为10～20kV，纺丝收集时间为12～36h。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，所述镍盐为硝酸镍、乙酸镍和氯化镍的一种或两种，所述镍盐与所述聚丙烯腈的质量比为(1～3)：5。
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，预氧化处理过程中，先从室温升至180～200℃，保温1～2小时；再升温至260～280℃，保温4～2小时；其中，升温速率为1～5℃/分钟；
热处理过程中，热处理的温度为900～1100℃，热处理时间为4～12小时，升温速率为2～8℃/分钟；热处理过程中在惰性气体中进行；所述惰性气体为氮气和氩气的一种或两种混合气体。
上述的制备方法，优选的，所述纺丝液的具体制备过程为：
将聚丙烯腈加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌形成透明胶黏液体A；将镍盐加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌至完全溶解，得到溶液B；最后将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌得纺丝液。
本发明还提供一种锂硫电池，包括上述的或上述的制备方法制备获得的Ni/C复合纳米纤维膜。
上述的锂硫电池，优选的，所述Ni/C复合纳米纤维膜位于锂硫电池的硫正极和隔膜之间，其大小等同隔膜大小；作为锂硫电池功能化插层，利用多孔碳纳米纤维吸附多硫化物，同时，金属镍可对多硫化物具有催化作用，有效抑制多硫化物的“穿梭效应”。
上述的锂硫电池，优选的，所述锂硫电池的正极采用碳/硫复合正极，其中硫的含量≥70wt％，极片上硫负载量为2.0mg/cm2～4.5mg/cm2。该碳/硫复合正极制备工艺简单且具有较高的硫负载量，可大规模生产。将碳/硫复合正极与Ni/C复合纳米纤维膜进行复合，能够充分体现出Ni/C复合纳米纤维膜的优越性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明制备的Ni/C复合纳米纤维膜应用到锂硫电池中，在充放电过程中，利用多孔碳对多硫化物吸附，金属Ni对多硫化物的催化，二者协同作用，提高锂硫电池的倍率性能。
(2)本发明的静电纺丝技术工艺能够制备具有稳定的长程连续导电网络以及三维多孔结构的Ni/C复合纳米纤维膜，且通过该方法使Ni颗粒均匀的分布在碳纤维膜的表面。
(3)本发明采用静电纺丝工艺制备Ni/C复合纳米纤维膜，工艺步骤简单，原料来源广泛，成本低且重复性好。
(4)本发明通过调控镍盐含量与收丝时间，可控金属Ni含量与纤维膜的厚度，适当的Ni含量不仅能够降低电池的内阻还可以催化氧化还原反应的进行，而且适当的纤维膜厚度还能够延缓插层失效。
(5)本发明的锂硫电池电化学性能优异，在1C倍率下，锂硫电池首次放电比容量超过1000mAh/g，循环150次，放电比容量仍在750mAh/g以上。
(6)本发明的锂硫电池在提高极片中硫负载的同时，采用Ni/C复合纳米纤维膜大幅度提高电池电化学性能。
附图说明
图1为本发明对比例所制备的C纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图2为本发明实施例1中由Ni/C复合纳米纤维膜前驱体制备Ni/C复合纳米纤维膜的过程照片。
图3为本发明实施例1中Ni/C复合纳米纤维膜的SEM图。
图4为本发明实施例1中Ni/C复合纳米纤维膜循环200圈后的SEM图
图5为本发明实施例1所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图6为本发明实施例1所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在不同倍率下的性能图。
图7为本发明实施例2所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图8为本发明实施例3所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图9为本发明实施例4所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图10为本发明实施例5所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图11为本发明实施例6所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图12为本发明实施例7所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
图13为本发明实施例8所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
对比例：
本对比例的C纳米纤维膜制备过程为：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到38g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时形成透明胶黏液体纺丝液；
(2)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成C纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(3)对C纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(4)将预氧化产物进行热处理：先室温升至900℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气气体中进行；热处理完成后，即得C纳米纤维膜。
电池组装：将传统的碳硫复合正极、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的C纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的C纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图1为本对比例所制备的C纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图；该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为760mAh/g。
实施例1：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到38g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至形成透明胶黏液体A；
(2)称取1g硝酸镍加入到2g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至900℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜；其中，由Ni/C复合纳米纤维膜前驱体制备Ni/C复合纳米纤维膜的过程照片如图2所示，最终获得的Ni/C复合纳米纤维膜的SEM图如图3所示。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为120.285m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为2％。
循环200圈后的Ni/C复合纳米纤维膜的SEM图如图4所示，从中可以看出，该材料不仅能够通过三维结构进行物理吸附抑制聚硫锂的穿梭，还可以利用纤维表面的Ni颗粒利用化学作用吸附在纤维表面的多硫化物，说明这二者具有协同吸附作用。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量未70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图5为本对比例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图，该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为820mAh/g。与对比例的数据可知，Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层，锂硫电池的性能有了进一步的提高。
图6为本对比例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池，在不同倍率下的性能图，其在0.1C，0.5C，1C，2C，3C，4C时，该锂硫电池的放电比容量分别为1190，1050，950，825，750，690mAh/g；当电池重新回到0.5C和0.1C时，放电容量仍为1050，1120mAh/g；电池放电比容量在不同倍率下，放电比容量稳定。
实施例2：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到36g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至澄清，形成透明胶黏液体A；
(2)称取2g硝酸镍加入到4g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至900℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为144.396m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为4％。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量为70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图7为本实施例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图，该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为780mAh/g。
实施例3：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到34g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至澄清，形成透明胶黏液体A；
(2)称取3g硝酸镍加入到6g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至900℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为214.341m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为6％。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量为70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图8为本实施例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图，该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为765mAh/g。
实施例4：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到38g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至澄清，形成透明胶黏液体A；
(2)称取1g硝酸镍加入到2g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至1000℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为144.273m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为2％。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量为70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图9为本实施例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图；该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为855mAh/g。
实施例5：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到38g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至澄清，形成透明胶黏液体A；
(2)称取1g硝酸镍加入到2g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至1100℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为67.864m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为2％。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量为70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图10为本实施例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图；该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为728mAh/g。
实施例6：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到36g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至澄清，形成透明胶黏液体A；
(2)称取2g硝酸镍加入到4g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至900℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气和氩气的混合气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为101.936m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为4％。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量为70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图11为本实施例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图；该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为838mAh/g。
实施例7：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到34g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至澄清，形成透明胶黏液体A；
(2)称取3g硝酸镍加入到6g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至1000℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气和氩气的混合气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为93.873m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为6％。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量为70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图12为本实施例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图；该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为810mAh/g。
实施例8：
一种本发明的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取5g聚丙烯腈缓慢加入到38g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌24小时至澄清，形成透明胶黏液体A；
(2)称取1g硝酸镍加入到2g N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌12小时至完全溶解，得到溶液B；
(3)将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌6小时得纺丝液；
(4)通过静电纺丝技术将纺丝液制备成Ni/C复合纳米纤维膜前驱体，其中，静电纺丝过程中的工艺参数为：电压为15Kv，进料速度为0.5mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为15cm；
(5)对Ni/C复合纳米纤维膜前驱体进行预氧化：先室温升至200℃，保温1小时；再升温至260℃，保温2小时；预氧化过程的升温速率控制在1℃/分钟；
(6)将预氧化产物进行热处理：先室温升至1100℃，保温4小时，升温速率为2℃/分钟，热处理过程在氮气和氩气的混合气体中进行；热处理完成后，即得Ni/C复合纳米纤维膜。该Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为78.243m2/g，厚度为240μm，面密度为2mg/cm2，Ni含量为2％。
电池组装：将传统的碳硫复合正极(硫的含量为70wt％，极片上硫负载量为3mg/cm2)、商业化隔膜、电解液、金属锂片(负极)以及上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜制成锂硫电池；其中，上述制备的Ni/C复合纳米纤维膜大小等同于隔膜，其放置于碳硫复合正极和隔膜之间，作为锂硫电池功能化插层；组装的电池为CR2032型纽扣电池，整个电池的组装均在手套箱中完成。
电化学性能测试：使用武汉兰博电子有限公司的蓝电LANDCT2001A充放电仪对所组装的电池在室温(25℃)下进行充放电测试，充放电电压范围为1.8-3.0V。
图13为本实施例所制备的Ni/C复合纳米纤维膜作为功能化插层应用到锂硫电池在1C倍率下的循环性能图；该锂硫电池在1C倍率下充放电200次后，锂硫电池的放电比容量为764mAh/g。

Claims (9)

1.一种应用于锂硫电池的Ni/C复合纳米纤维膜，其特征在于，所述Ni/C复合纳米纤维膜的表面积为30～250m2/g，厚度为100～350μm，面密度为2～10mg/cm2，Ni含量为2％～15％。
2.一种如权利要求1所述的Ni/C复合纳米纤维膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚丙烯腈和镍盐加入N,N-二甲基乙酰胺溶液中使其完全溶解，得到纺丝液；
(2)采用静电纺丝技术将所述纺丝液制备成前驱体纤维膜，再将前驱体纤维膜进行预氧化处理，再进行热处理，即得到所述Ni/C复合纳米纤维膜。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，静电纺丝时，进料速度控制在0.3～0.6mL/h，静电纺丝机的喷头与收集辊的距离为10～18cm，电压为10～20kV，纺丝收集时间为12～36h。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镍盐为硝酸镍、乙酸镍和氯化镍的一种或两种，所述镍盐与所述聚丙烯腈的质量比为(1～3)：5。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，预氧化处理过程中，先从室温升至180～200℃，保温1～2小时；再升温至260～280℃，保温4～2小时；其中，升温速率为1～5℃/分钟；
热处理过程中，热处理的温度为900～1100℃，热处理时间为4～12小时，升温速率为2～8℃/分钟；热处理过程中在惰性气体中进行；所述惰性气体为氮气和氩气的一种或两种混合气体。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述纺丝液的具体制备过程为：
将聚丙烯腈加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌形成透明胶黏液体A；将镍盐加入到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌至完全溶解，得到溶液B；最后将溶液B缓慢滴入透明胶黏液体A中，充分搅拌得纺丝液。
7.一种锂硫电池，其特征在于，包括权利要求1所述的或权利要求2-5任一项所述的制备方法获得的Ni/C复合纳米纤维膜。
8.如权利要求7所述的锂硫电池，其特征在于，所述Ni/C复合纳米纤维膜位于锂硫电池的硫正极和隔膜之间，其大小等同隔膜大小。
9.如权利要求7所述的锂硫电池，其特征在于，所述锂硫电池的正极采用碳/硫复合正极，其中硫的含量≥70wt％，极片上硫负载量为2.0mg/cm2～4.5mg/cm2。
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