CN113594415B - 抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极及其制备方法，制备方法如下：采用静电纺丝制备钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜；然后将单质硫粉与科琴黑的混合物(活性物质)牢牢地夹在两钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜之间，形成了独特的三明治结构电极。钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜取代了传统铝箔，具有集流体的作用，其导电网状结构增大了与活性物质的接触面积，能够减少材料粉化脱落；钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜对多硫化物穿梭也具备阻拦作用，能够加速多硫化物的转换，从根本上减少了多硫化物的穿梭；因此本发明有助于提高锂硫电池的能量密度，协调硫在充放电过程中的体积变化，并且能够显著抑制穿梭效应的发生。

Description

抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂硫电池技术领域，特别涉及一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极及其制备方法。
背景技术
能源短缺和环境污染是全世界面临的重大问题，新能源的开发和利用刻不容缓，而电池作为能量存储的关键器件对其的要求以及需求也逐渐升高。其中，锂硫电池被认为是最具发展潜力的二次电池之一，因为其具有1675mAh·g-1的超高理论比容量，材料完全反应时，其质量能量密度高达2500W h kg-1，体积能量密度达到2800W hL-1，是目前常用的锂离子电池的5倍。同时，地壳中硫资源丰富，价格低廉且对环境友好。然而，锂硫电池的一些天然缺陷严重影响了它们的实际应用。例如，单质硫及其放电产物的导电性能差，通常需要添加导电材料；其次，在充放电过程中，硫的体积变化高达80％，会严重破坏电池结构还可能造成安全问题；另外，反应中间产物溶于电解液，能够通过隔膜来回穿梭形成“穿梭效应”，多硫化物还会在阳极进一步反应形成以LiS2为主的钝化层，造成活性物质不可逆的损失以及锂阳极的腐蚀，从而导致容量衰减、循环寿命短、自放电严重；这是限制锂硫电池发展的关键问题。
对此科学家们做了大量研究，主要利用物质间的物理、化学作用，抑制多硫化物的穿梭从而缓解穿梭效应。例如改善电解质、采用硫复合正极材料、进行隔膜修饰、添加中间层等。其中在正极材料与隔膜之间添加一个功能化隔层(中间层)被认为是最有效的改善方法之一，它能提高正极材料的导电性同时将多硫化物限制在正极，从而减少多硫化物的穿梭，提高电池的循环稳定性。中间层的材料常采用碳纳米管、还原氧化石墨烯(rGO)、碳纳米纤维、多孔碳等。技术人员在碳纳米管中引入氧化钴，制备出独特的多孔CNTs/CoO微球，碳纳米管提高材料的导电性同时为限制多硫化物穿梭提供了物理屏障。碳纳米管壁上的CoO加强了吸附作用以及促进氧化还原反应。这些方法能够有效提高锂硫电池的电化学性能，但是材料合成方法复杂很难实现大规模生产。因此，制备出合理有效且制备简单的中间层对提高锂硫电池性能和实际应用等方面具有重要意义。
锂硫电池通常使用铝箔作为集流体，其质量较大约占整个电池重量的5％-9％，使电池的能量密度降低。而且在电池充放电过程中，正极部分电压较高，铝箔与氧化性极强的电解液直接接触时很容易发生腐蚀。另外，表面较光滑的铝箔与活性物质粘附不牢，界面很难紧密结合，充放电过程中硫的体积变化较大，容易造成活性物质脱落，影响电池的倍率性能和循环寿命。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极及其制备方法，有助于提高锂硫电池的能量密度，协调硫在充放电过程中的体积变化，并且能够显著抑制穿梭效应的发生。
为了实现上述目的，本发明提出了一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，按照以下步骤制备：
(1)采用静电纺丝制备钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，包括以下步骤：
S1、首先将聚丙烯腈溶于的N，N-二甲基甲酰胺中，60-80℃加热搅拌1-2h；然后将致孔剂和硝酸钴六水合物溶于另外准备的N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，将两溶液混合搅拌4-6h，得到纺丝液；
S2、将配制好的纺丝液转移到注射器内进行纺丝；
S3、纺丝完成后，将得到的纤维在60-80℃干燥10-12h，移入管式炉，在空气中进行预氧化，聚丙烯腈发生脱氢、环化和氧化反应；
S4、然后将纤维碳化，在氩气气氛下按照4-6℃/min的升温速度升温至800-900℃，然后保温反应3-5h；
S5、最后，将制备的纤维浸泡在盐酸溶液中45-50h对钴进行活化，然后清洗至中性，干燥得到钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜；
(2)制备三明治独立正极，包括以下步骤：
S1、首先将硫粉与科琴黑以7：3的质量比研磨混合均匀，放置在管式炉内，在140-170℃氩气气氛下煅烧10-14h，让硫渗透到科琴黑的空隙中，紧密接触形成硫碳混合物；
S2、将硫碳混合物从管式炉中取出后与聚偏二氟乙烯以9:1的质量比研磨混合均匀，然后向其中加入N-甲基-2-吡咯烷酮得到浆料；
S3、将上述浆料涂覆在用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜上，形成致密且均匀的硫层，硫层上也用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜进行覆盖，用力挤压形成紧密的三明治结构电极，使得硫层完全包裹在两钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜之间。
优选的，所述致孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯。
优选的，所述致孔剂与聚丙烯腈的质量比为0.4-0.6:1.0-1.5，所述聚丙烯腈与硝酸钴六水合物的质量比为0.4-0.6:1.0-1.5。
优选的，静电纺丝的工艺条件如下：采用铝箔收集纤维，铝箔与针头之间的距离为17cm，纺丝电压为17.30KV，纺丝速度为1h/mL。
优选的，步骤(1)中，预氧化的条件为：按照2-4℃/min的升温速度升温至280-320℃，然后保温反应2-3h。
优选的，盐酸溶液的浓度为1-2M。
优选的，所述钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜的厚度为25-35μm。
本发明还提出了一种三明治独立正极，由上述的抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：
1、通过静电纺丝制备了钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，然后将单质硫粉与科琴黑的混合物(活性物质)牢牢地夹在两钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜之间，形成了独特的三明治结构电极，显著提高了锂硫电池的电化学性能；
2、钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜取代了传统铝箔，具有集流体的作用，与铝箔相比，碳纤维薄膜的质量(平均质量0.6mg cm-2)减小很多，提高了电池的能量密度；同时，碳纤维膜的导电网状结构增大了与活性物质的接触面积，能够减少材料粉化脱落，协调正极材料的体积膨胀；
3、钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜对多硫化物穿梭也具备阻拦作用，其多孔中空结构能够储硫，同时为多硫化物的转化以及锂离子的传输提供了丰富的活性位点；并且嵌入的钴纳米颗粒具有强电催化性能，能够加速多硫化物的转换，从根本上减少了多硫化物的穿梭；
4、测试表明，本发明制备的三明治独立正极在0.5C和1C下，初始放电比容量为1013.3mAh g-1和933.4mAh g-1，循环500次后每次容量衰减率分别为0.04％和0.08％，因此，本发明为锂硫电池抑制多硫化物的穿梭效应提供了一个经济且简单的方法。
附图说明
图1为现有的铝箔集流体电极的示意图。
图2为本发明三明治独立正极的示意图。
图3为CNF的SEM图。
图4为Co-PCNF的SEM图。
图5为AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极在扫描速度为0.1mV s-1下的循环伏安曲线图。
图6为AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极在0.1C(1C＝1675mAh g-1)下的充放电曲线图。
图7为AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极在0.1C-3C的电流密度下进行的倍率性能测试图。
图8为0.1C-3C的电流密度下Co-PCNF三明治电极的充放电曲图。
图9为AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极的交流阻抗图。
图10为AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极的电池Nyquist曲线的拟合等效电路图。
图11为AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极在0.5C电流密度下电池的恒流充放电曲线图。
图12为AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极在1C电流密度下电池的恒流充放电曲线图。
图13为Co-PCNF三明治电极在不同硫负载量下的充放电曲线。
具体实施方式
实施例1
一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于，按照以下步骤制备：
(1)采用静电纺丝制备钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，包括以下步骤：
S1、首先将1.0g聚丙烯腈溶于的4ml N，N-二甲基甲酰胺中，60℃加热搅拌1h；然后将0.4g聚甲基丙烯酸甲酯和0.4g硝酸钴六水合物溶于另外准备的4ml N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，将两溶液混合搅拌4h，得到纺丝液；
S2、将配制好的纺丝液转移到注射器内进行纺丝，静电纺丝的工艺条件为：采用铝箔收集纤维，铝箔与针头之间的距离为17cm，纺丝电压为17.30KV，纺丝速度为1h/mL。
S3、纺丝完成后，将得到的纤维在60℃干燥10h，移入管式炉，在空气中进行预氧化，按照2℃/min的升温速度升温至280℃，然后保温反应2h；聚丙烯腈发生脱氢、环化和氧化反应；
S4、然后将纤维碳化，在氩气气氛下按照4℃/min的升温速度升温至800℃，然后保温反应3h；该过程中腈基发生热裂解并增加了碳含量，聚甲基丙烯酸甲酯热分解为可挥发性产物；
S5、最后，将制备的纤维浸泡在1M盐酸溶液中45h对钴进行活化，然后清洗至中性，干燥得到钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜的厚度为25-35μm；
(2)制备三明治独立正极，包括以下步骤：
S1、首先将硫粉与科琴黑以7：3的质量比研磨混合均匀，放置在管式炉内，在140℃氩气气氛下煅烧14h，让硫渗透到科琴黑的空隙中，紧密接触形成硫碳混合物；
S2、将硫碳混合物从管式炉中取出后与聚偏二氟乙烯以9:1的质量比研磨混合均匀，然后向其中加入N-甲基-2-吡咯烷酮得到浆料；
S3、将上述浆料涂覆在用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜上，形成致密且均匀的硫层，硫层上也用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜进行覆盖，用力挤压形成紧密的三明治结构电极，使得硫层完全包裹在两钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜之间。
一种三明治独立正极(Co-PCNF三明治电极)，由上述的抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法制备得到。
实施例2
一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于，按照以下步骤制备：
(1)采用静电纺丝制备钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，包括以下步骤：
S1、首先将1.2g聚丙烯腈溶于的6ml N，N-二甲基甲酰胺中，60℃加热搅拌2h；然后将0.4g聚甲基丙烯酸甲酯和0.4g硝酸钴六水合物溶于另外准备的6ml N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，将两溶液混合搅拌6h，得到纺丝液；
S2、将配制好的纺丝液转移到注射器内进行纺丝，静电纺丝的工艺条件如下：采用铝箔收集纤维，铝箔与针头之间的距离为17cm，纺丝电压为17.30KV，纺丝速度为1h/mL。
S3、纺丝完成后，将得到的纤维在60℃干燥12h，移入管式炉，在空气中进行预氧化，按照3℃/min的升温速度升温至280℃，然后保温反应3h；聚丙烯腈发生脱氢、环化和氧化反应；
S4、然后将纤维碳化，在氩气气氛下按照5℃/min的升温速度升温至800℃，然后保温反应4h；该过程中腈基发生热裂解并增加了碳含量，聚甲基丙烯酸甲酯热分解为可挥发性产物；
S5、最后，将制备的纤维浸泡在1M盐酸溶液中48h对钴进行活化，然后清洗至中性，干燥得到钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜的厚度为25-35μm；
(2)制备三明治独立正极，包括以下步骤：
S1、首先将硫粉与科琴黑以7：3的质量比研磨混合均匀，放置在管式炉内，在155℃氩气气氛下煅烧12h，让硫渗透到科琴黑的空隙中，紧密接触形成硫碳混合物；
S2、将硫碳混合物从管式炉中取出后与聚偏二氟乙烯以9:1的质量比研磨混合均匀，然后向其中加入N-甲基-2-吡咯烷酮得到浆料；
S3、将上述浆料涂覆在用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜上，形成致密且均匀的硫层，硫层上也用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜进行覆盖，用力挤压形成紧密的三明治结构电极，使得硫层完全包裹在两钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜之间。
一种三明治独立正极(Co-PCNF三明治电极)，由上述的抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法制备得到。
实施例3
一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于，按照以下步骤制备：
(1)采用静电纺丝制备钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，包括以下步骤：
S1、首先将1.5g聚丙烯腈溶于的6ml N，N-二甲基甲酰胺中，80℃加热搅拌2h；然后将0.6g聚甲基丙烯酸甲酯和0.6g硝酸钴六水合物溶于另外准备的6ml N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，将两溶液混合搅拌6h，得到纺丝液；
S2、将配制好的纺丝液转移到注射器内进行纺丝，静电纺丝的工艺条件如下：采用铝箔收集纤维，铝箔与针头之间的距离为17cm，纺丝电压为17.30KV，纺丝速度为1h/mL。
S3、纺丝完成后，将得到的纤维在80℃干燥12h，移入管式炉，在空气中进行预氧化，按照4℃/min的升温速度升温至320℃，然后保温反应3h；聚丙烯腈发生脱氢、环化和氧化反应；
S4、然后将纤维碳化，在氩气气氛下按照6℃/min的升温速度升温至900℃，然后保温反应5h；该过程中腈基发生热裂解并增加了碳含量，聚甲基丙烯酸甲酯热分解为可挥发性产物；
S5、最后，将制备的纤维浸泡在2M盐酸溶液中50h对钴进行活化，然后清洗至中性，干燥得到钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜的厚度为25-35μm；
(2)制备三明治独立正极，包括以下步骤：
S1、首先将硫粉与科琴黑以7：3的质量比研磨混合均匀，放置在管式炉内，在170℃氩气气氛下煅烧10h，让硫渗透到科琴黑的空隙中，紧密接触形成硫碳混合物；
S2、将硫碳混合物从管式炉中取出后与聚偏二氟乙烯以9:1的质量比研磨混合均匀，然后向其中加入N-甲基-2-吡咯烷酮得到浆料；
S3、将上述浆料涂覆在用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜上，形成致密且均匀的硫层，硫层上也用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜进行覆盖，用力挤压形成紧密的三明治结构电极，使得硫层完全包裹在两钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜之间。
一种三明治独立正极(Co-PCNF三明治电极)，由上述的抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法制备得到。
对比例1
将与实施例1相同的浆料涂覆在纯碳纤维膜上，硫层上也用纯碳纤维膜进行覆盖(纯碳纤维膜的制备方法与实施例1中钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜的制备方法一致，只是纺丝液中不添加致孔剂和硝酸钴六水合物)，得到纯碳纤维膜三明治正极(CNF三明治电极)。
对比例2
将与实施例1相同的浆料涂覆在铝箔上，然后将极片放入真空干燥箱，60℃真空干燥12h得到铝箔集流体正极(AL foil电极)，载硫量为0.8mg cm-2-1.2mg cm-2。
为了方便阐述，以Co-PCNF表示钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，CNF表示纯碳纤维膜，AL foil表示铝箔。
如图3-4所示，对制备的CNF/Co-PCNF进行SEM测试，观察它们的微观形貌与结构。如图3中a、图4中e所示，纤维之间相互搭接形成连续的三维网络空隙结构，可以缓解充放电过程中硫的体积变化。CNF表面光滑，平均直径为280nm，而Co-CNF表面有脊状纹理，直径增加到600-750nm，有明显的纳米颗粒(Co颗粒)凸起，还有介孔与缝隙存在(图3中b、图4中f)，在碳纤维内部形成了离子快速扩散通道，可以更好地促进电解质离子向活性物质扩散和Li+的透过。如图3中c所示，CNF内部是实心结构，而Co-CNF内部有不规则的孔隙(图4中g)，这是由于在碳化过程中致孔剂聚甲基丙烯酸甲酯热分解制孔。多孔中空碳纤维可将硫封装和隔离在其内部的孔隙空间和孔壁上，物理上缓解了硫化物在电解液中的溶解，中空结构有利于电子的传输和协调电池循环中的巨大体积变化。同时，从截面图(图4中g)可以看出Co-PCNF内部均匀分散着大量的纳米颗粒。
电化学分析
为了阐明Co-PCNF三明治电极在电化学性能上的优势，分别将AL foil电极、CNF三明治电极、Co-PCNF三明治电极组装成了电池，进行了相应的电化学测试。
如图5所示，电池在低电位2.0V左右和2.3V左右出现了两个还原峰,在2.4V左右出现一个氧化峰。较AL foil电极和CNF三明治电极而言，Co-PCNF三明治电极具有最高的峰值电流，并且其还原峰向正极偏移，氧化峰向负极偏移，这意味着Co-PCNF三明治电极中活性物质硫的利用率高、电化学极化低，证明了嵌入的Co颗粒使得硫化物的氧化还原动力学得到了提高，引发了快速的固-液和液-固转换。并且Co-PCNF三明治电极在前三个循环中，其循环伏安曲线高度重合，展现出优良循环可逆性。
如图6所示，出现了两个典型的还原平台，其中2.3V左右的还原平台(QH)对应单质S8还原生成可溶性多硫化锂Li2SX(4＜X＜8)的反应，与高价多硫化物的形成以及穿梭效应有关。更低电位的还原平台(QL)对应可溶性多硫化锂进一步反应生成不溶性Li2S和Li2S2，该过程反应动力学较缓慢，是电池容量的主要来源。ΔE值表示为充电和放电平台之间电压的微小偏差，是由于充放电过程的极化现象造成的。Co-PCNF三明治电极ΔE值最小，QH与QL值最高，从而证明Co-PCNF纤维膜极化最小，这是由于金属钴促进了可溶性多硫化锂向不溶性Li2S和Li2S2的液-固转化，从而得到高比容量，表现出优异的电化学性能。
如图7所示，为了研究材料的倍率性能，将不同极片在0.1C-3C的电流密度下进行测试。其中Co-PCNF三明治电极在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C、3C的电流密度下的放电比容量分别为1180.1、1005.3、904.1、835.9、730.9、633.9mAh g-1，较铝箔电极和CNF三明治电极而言，其倍率性能具有明显优势。而且电流密度回到0.2C后，电池容量恢复到945.7mAh g-1，表现出优异的电化学可逆性。
如图8所示，Co-PCNF三明治电极仍然具有较稳定的充放电平台，表面具备氧化还原反应的简易动力学。
如图9-10所示，Co-PCNF三明治电极的电荷转移电阻值为16.7Ω，远小于CNF电极(23.5Ω)和铝箔电极(34.6Ω)，这表明Co-PCNF三明治电极具有更快的电荷转移动力学在反应期间，从而具有更小的界面电阻和电荷转移电阻。在低频区的斜线斜率对应锂离子的扩散速率，其中Co-PCNF三明治电极的斜率最大，Warburg电阻最小，证明Co-PCNF的多孔网状结构有利于离子和电子的传输，并且嵌入的Co金属具有良好的导电性和催化性，为锂硫反应提供丰富的活性位点和动态推进氧化还原动力学。
如图11所示，通过恒流充放电测试来探究不同电池的循环性能，图为Co-PCNFCNF三明治电极、CNF三明治电极、AL foil电极在0.5C电流密度下电池的恒流充放电曲线。ALfoil电极、CNF三明治电极的初始放电比容量分别为811mAh g-1、920.3mAh g-1，500次循环后下降为259.3mAh g-1、353.6mAh g-1，每圈衰减率分别为1.36％、1.23％，CNF三明治电极循环稳定性能和放电比容量有所提高，说明该三明治结构能够使电池性能得到一定改善。而Co-PCNF三明治电极的电化学稳定性得到了显著的提升，其初始放电比容量高达1013.3mAh g-1,500次循环后仍保持794.3mAh g-1，每圈衰减率仅为0.04％，库伦效率接近于100％，展示出来了优异的循环稳定性能。这证明Co-PCNF三明治电极有效的将多硫化物限制在三明治夹层内，并且其对多硫化物具有较强的吸附作用和催化作用，从而显著的抑制了穿梭效应。
如图12所示，进一步探究了不同电极在较大电流密度1C下的长循环性能，Co-PCNF三明治电极的初始放电比容量为933.4mAh g-1，明显高于CNF三明治电极790.6mAhg-1和铝箔电极647.7mAh g-1。500次循环后，Co-PCNF三明治电极的库伦效率为99.94％，每圈衰减率仅为0.08％。与CNF三明治电极和铝箔电极相比，其提高了活性物质的利用率，同时展示出了更好的循环稳定性。
如图13所示，将硫单质的负载量提高至2.2mg cm-2和3.7mg cm-2，并在0.2C电流密度下进行恒流充放电。负载量为2.2mg cm-2和3.7mg cm-2的初始放电比容量分别为1271.8mAh g-1、843.1mAh g-1，150次循环后容量分别保持为1009.8mAh g-1、672.7mAh g-1，分别为79％、80％的较高容量保持率。由此可见，Co-PCNF三明治电极在较大硫负载量下，活性物质依然能够高效利用并且有较稳定的循环性能。
本发明提出了一个简单但有效的方法，通过采用静电纺丝制备Co-PCNF，并将其用于锂硫电池，形成独特的三明治结构电极，显著提高锂硫电池的电化学性能。

Claims (8)

1.一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于，按照以下步骤制备：
(1)采用静电纺丝制备钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜，包括以下步骤：
S1、首先将聚丙烯腈溶于N，N-二甲基甲酰胺中，60-80℃加热搅拌1-2h；然后将致孔剂和硝酸钴六水合物溶于另外准备的N，N-二甲基甲酰胺中，搅拌均匀后，将两溶液混合搅拌4-6h，得到纺丝液；
S2、将配制好的纺丝液转移到注射器内进行纺丝；
S3、纺丝完成后，将得到的纤维在60-80℃干燥10-12h，移入管式炉，在空气中进行预氧化，聚丙烯腈发生脱氢、环化和氧化反应；
S4、然后将纤维碳化，在氩气气氛下按照4-6℃/min的升温速度升温至800-900℃，然后保温反应3-5h；
S5、最后，将制备的纤维浸泡在盐酸溶液中45-50h对钴进行活化，然后清洗至中性，干燥得到钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜；
(2)制备三明治独立正极，包括以下步骤：
S1、首先将硫粉与科琴黑以7：3的质量比研磨混合均匀，放置在管式炉内，在140-170℃氩气气氛下煅烧10-14h，让硫渗透到科琴黑的空隙中，紧密接触形成硫碳混合物；
S2、将硫碳混合物从管式炉中取出后与聚偏二氟乙烯以9:1的质量比研磨混合均匀，然后向其中加入N-甲基-2-吡咯烷酮得到浆料；
S3、将上述浆料涂覆在用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜上，形成致密且均匀的硫层，硫层上也用步骤(1)制备的钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜进行覆盖，用力挤压形成紧密的三明治结构电极，使得硫层完全包裹在两钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜之间。
2.根据权利要求1所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于：所述致孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯。
3.根据权利要求2所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于：所述致孔剂与聚丙烯腈的质量比为0.4-0.6:1.0-1.5，所述聚丙烯腈与硝酸钴六水合物的质量比为0.4-0.6:1.0-1.5。
4.根据权利要求1所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于：静电纺丝的工艺条件如下：采用铝箔收集纤维，铝箔与针头之间的距离为17cm，纺丝电压为17.30KV，纺丝速度为1h/mL。
5.根据权利要求1所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，预氧化的条件为：按照2-4℃/min的升温速度升温至280-320℃，然后保温反应2-3h。
6.根据权利要求1所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于：盐酸溶液的浓度为1-2M。
7.根据权利要求1所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法，其特征在于：所述钴纳米颗粒嵌入的多孔碳纤维膜的厚度为25-35μm。
8.一种权利要求1-7任一项所述的抑制锂硫电池穿梭效应的三明治独立正极的制备方法制备得到的三明治独立正极。
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