CN115642370A - 锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用 - Google Patents
锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115642370A CN115642370A CN202211268145.0A CN202211268145A CN115642370A CN 115642370 A CN115642370 A CN 115642370A CN 202211268145 A CN202211268145 A CN 202211268145A CN 115642370 A CN115642370 A CN 115642370A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lithium
- molybdenum nitride
- dimensional carbon
- carbon matrix
- sulfur battery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
本发明涉及电池材料领域，公开了一种锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用。该夹层材料包括三维碳基体以及沉积于所述三维碳基体一侧的氮化钼层；所述氮化钼层中的氮化钼颗粒的平均直径为2‑10nm；所述三维碳基体的厚度为5‑25μm；所述氮化钼层的厚度为5‑30nm。本发明提供的锂硫电池用夹层材料能够提高活性硫正极的利用率以及改善锂负极表面环境，避免锂枝晶的生成；以实现高性能锂硫电池的制备。本发明提供的方法能够将氮化钼催化剂层均匀地沉积在三维碳基体的一侧，显著增加氮化钼催化剂与多硫化物的接触面积，从而提高氮化钼催化剂的催化效率。
Description
技术领域
本发明涉及电池材料领域，具体地，涉及锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用。
背景技术
目前，锂离子电池已接近其理论能量密度上限，但仍不能满足电动汽车的高能量密度需求。不断增长的高能量密度需求促进了锂硫电池的发展。作为最有前途的新一代可充电电池，锂硫电池具有成本低、理论能量密度(2600Wh kg-1)高的优点。
然而，锂硫电池实现商业化仍然存在一些问题，包括硫和Li2S/Li2S2的本征绝缘性、电极体积的变化以及多硫化物引起的穿梭效应。
放电过程中，单质硫(S8)首先被还原为长链多硫化锂(Li2Sx，x＝4-8)，而长链多硫化锂易溶于醚类液体电解液中，溶解后的多硫化锂会从正极一侧穿过隔膜到达负极一侧，与金属锂负极发生不可逆反应，导致活性物质质量的损失和锂负极表面环境的恶化。
充电过程中，多硫化锂在两个电极之间来回穿梭，降低了库仑效率。在充电结束时，多硫化锂以绝缘的单质硫或Li2S沉积在正极表面，阻隔了离子/电子导电性。
因此，抑制长链多硫化锂穿梭和提高活性硫正极利用率是实现高性能锂硫电池制备的关键。
大量研究表明，引入催化剂，通过吸附作用和加速反应动力学是抑制穿梭效应的一种有效途径。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于锂硫电池正极与隔膜之间的夹层材料，以有效抑制多硫化锂穿梭和提高活性硫正极的利用率，从而使得制备得到的锂硫电池具有良好的循环性能。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种锂硫电池用夹层材料，该夹层材料包括三维碳基体以及沉积于所述三维碳基体一侧的氮化钼层；所述氮化钼层中的氮化钼颗粒的平均直径为2-10nm；
所述三维碳基体的厚度为5-25μm；
所述氮化钼层的厚度为5-30nm。
优选地，所述氮化钼颗粒的平均直径为2-5nm。
优选地，所述三维碳基体的厚度为10-20μm。
优选情况下，所述氮化钼层的厚度为10-20nm。
本发明的第二方面提供一种制备前述第一方面中所述的锂硫电池用夹层材料的方法，该方法包括：
(1)在惰性气氛存在下，将三维碳基体前驱体进行碳化处理，得到三维碳基体；
(2)采用原子沉积法分别将氮源和钼源沉积于所述三维碳基体的同一侧后反应，得到氮化钼层。
优选地，所述三维碳基体前驱体选自细菌纤维素、羧甲基纤维素、聚多巴胺膜、聚吡咯膜、棉质纤维中的至少一种。
优选地，所述氮源为氨气。
优选情况下，所述钼源选自Mo(CO)6、MoO2(acac)2MoCl5中的至少一种。
优选地，在步骤(1)中，所述碳化处理的条件包括：碳化温度为600-1000℃，碳化时间为0.5-5h。
优选地，在步骤(2)中，所述原子沉积法的条件各自独立地包括：沉积时间为5-30s，沉积温度为150-200℃。
本发明的第三方面提供一种前述第一方面中所述的锂硫电池用夹层材料在锂硫电池中的应用。
本发明提供的锂硫电池用夹层材料能够物理吸附和化学吸附多硫化物，并通过其中含有的催化剂加速多硫化物反应动力学，从而有效地抑制穿梭效应；同时还能够提高活性硫正极的利用率以及改善锂负极表面环境，避免锂枝晶的生成；以实现高性能锂硫电池的制备。
本发明提供的制备锂硫电池用夹层材料的方法能够将氮化钼催化剂层均匀地沉积在三维碳基体的一侧，以确保催化剂能够与多硫化物直接接触；同时，氮化钼催化剂颗粒的尺寸能够达到2-10nm，进而增加催化剂颗粒的比表面积，显著增加氮化钼催化剂与多硫化物的接触面积，从而提高氮化钼催化剂的催化效率。
附图说明
图1是本发明提供的锂硫电池用夹层材料的结构示意图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
如前所述，本发明的第一方面提高了一种锂硫电池用夹层材料，该夹层材料包括三维碳基体以及沉积于所述三维碳基体一侧的氮化钼层；所述氮化钼层中的氮化钼颗粒的平均直径为2-10nm；
所述三维碳基体的厚度为5-25μm；
所述氮化钼层的厚度为5-30nm。
优选地，所述氮化钼颗粒的平均直径为2-5nm。
优选地，所述三维碳基体的厚度为10-20μm。
优选情况下，所述氮化钼层的厚度为10-20nm。本发明的发明人发现，该优选情况下，获得的夹层材料能够使得制备得到的电池具有更好的循环性能和倍率性能。
需要说明的是，本发明对制备前述第一方面中的锂硫电池用夹层材料的方法没有特别的限制，本领域技术人员可以根据本领域内已知的技术手段进行选择，但是，为了获得倍率性能和循环性能更好的电池，如前所述，本发明的第二方面提供了一种制备前述第一方面中所述的锂硫电池用夹层材料的方法，该方法包括：
(1)在惰性气氛存在下，将三维碳基体前驱体进行碳化处理，得到三维碳基体；
(2)采用原子沉积法分别将氮源和钼源沉积于所述三维碳基体的同一侧后反应，得到氮化钼层。
优选地，所述惰性气氛选自氩气、氮气、氦气中的至少一种。
优选地，所述三维碳基体前驱体选自细菌纤维素、羧甲基纤维素、聚多巴胺膜、聚吡咯膜、棉质纤维中的至少一种。
优选地，所述氮源为氨气。
优选情况下，所述钼源选自Mo(CO)6、MoO2(acac)2、MoCl5中的至少一种。
优选地，在步骤(1)中，所述碳化处理的条件包括：碳化温度为600-1000℃，碳化时间为0.5-5h。
更加优选地，在步骤(1)中，所述碳化处理的条件包括：碳化温度为600-1000℃，碳化时间为2-5h。本发明的发明人发现，该优选情况下制备得到的夹层材料能够使得制备得到的电池具有更好的循环性能和倍率性能。
优选地，在步骤(2)中，所述原子沉积法的条件各自独立地包括：沉积时间为5-30s，沉积温度为150-200℃。
更加优选地，在步骤(2)中，所述原子沉积法的条件各自独立地包括：沉积时间为5-15s，沉积温度为150-170℃。
如前所述，本发明的第三方面提供了一种前述第一方面中所述的锂硫电池用夹层材料在锂硫电池中的应用。
以下将通过实例对本发明进行详细描述。
以下实例中，在没有特别说明的情况下，所采用的原料均为商购。
三维碳基体前驱体I：细菌纤维素。
三维碳基体前驱体II：羧甲基纤维素。
实施例1
(1)在氩气存在下，将三维碳基体前驱体I进行碳化处理，得到厚度为10μm的三维碳基体I；
其中，碳化处理的条件为：碳化温度为1000℃，碳化时间为2h；
(2)利用氮气作为载气(流量为100sccm)，采用原子沉积法分别将氨气(氮源)和Mo(CO)6(钼源)沉积于所述三维碳基体I的同一侧后反应，得到氮化钼颗粒平均直径为5nm，厚度为10nm的氮化钼层；
其中，原子沉积法的条件均为：沉积时间为10s，沉积温度为170℃；
制备得到锂硫电池用夹层材料C1。
实施例2
(1)在氩气存在下，将三维碳基体前驱体II进行碳化处理，得到厚度为20μm的三维碳基体I；
其中，碳化处理的条件为：碳化温度为800℃，碳化时间为4h；
(2)利用氮气作为载气(流量为150sccm)，采用原子沉积法分别将氨气(氮源)和Mo(CO)6(钼源)沉积于所述三维碳基体II的同一侧后反应，得到氮化钼颗粒平均直径为5nm，厚度为15nm的氮化钼层；
其中，原子沉积法的条件均为：沉积时间为15s，沉积温度为160℃；
制备得到锂硫电池用夹层材料C2。
实施例3
本实施例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：氮化钼层的厚度为5nm，其余条件均与实施例1相同，制备得到锂硫电池用夹层材料C3。
实施例4
本实施例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：碳化处理的条件为：碳化温度为500℃，碳化时间为5h，其余条件均与实施例1相同，制备得到锂硫电池用夹层材料C4。
对比例1
本对比例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：氮化钼颗粒的平均直径为15nm，其余条件均与实施例1相同，制备得到锂硫电池用夹层材料DC1。
对比例2
本对比例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：三维碳基体I的厚度为100μm，其余条件均与实施例1相同，制备得到锂硫电池用夹层材料DC2。
对比例3
本对比例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：氮化钼层的厚度为35nm，其余条件均与实施例1相同，制备得到锂硫电池用夹层材料DC3。
对比例4
本对比例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：将钼源替换为铜源，得到氮化铜颗粒平均直径为5nm，厚度为10nm的氮化铜层，其余条件均与实施例1相同，制备得到锂硫电池用夹层材料DC4。
对比例5
本对比例采用与实施例1相似的方法进行，所不同的是：三维碳基体前驱体I不经碳化处理，厚度为10μm作为基体，其余条件均与实施例1相同，制备得到锂硫电池用夹层材料DC5。
测试例
将实施例和对比例制备得到的锂硫电池用夹层材料与隔膜、锂片、电解液、硫正极和锂金属共同组装成锂硫电池，其中夹层材料中沉积有氮化钼层的一侧朝向电池正极；具体电池结构为：扣式电池；并采用以下方法测试电池的倍率性能和循环性能：
充放电电压为1.7V-2.8V，分别在0.2C、0.5C、1C、2C电流密度下进行倍率测试，1C电流密度下对电池进行循环测试，测试温度为30℃。
表1
通过表1的结果可以看出，本发明提供的锂硫电池用夹层材料能够提高活性硫正极的利用率以及改善锂负极表面环境，避免锂枝晶的生成，制备倍率性能以及循环性能优异的锂硫电池。
图1是本发明提供的锂硫电池用夹层材料的结构示意图。从图1中可以看出，本发明中的氮化钼催化剂颗粒均匀的沉积于三维碳基体的一侧。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种锂硫电池用夹层材料，其特征在于，该夹层材料包括三维碳基体以及沉积于所述三维碳基体一侧的氮化钼层；所述氮化钼层中的氮化钼颗粒的平均直径为2-10nm；
所述三维碳基体的厚度为5-25μm；
所述氮化钼层的厚度为5-30nm。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述氮化钼颗粒的平均直径为2-5nm。
3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，所述三维碳基体的厚度为10-20μm；和/或，
所述氮化钼层的厚度为10-20nm。
4.一种制备权利要求1-3中任意一项所述的锂硫电池用夹层材料的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)在惰性气氛存在下，将三维碳基体前驱体进行碳化处理，得到三维碳基体；
(2)采用原子沉积法分别将氮源和钼源沉积于所述三维碳基体的同一侧后反应，得到氮化钼层。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述三维碳基体前驱体选自细菌纤维素、羧甲基纤维素、聚多巴胺膜、聚吡咯膜、棉质纤维中的至少一种。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述氮源为氨气。
7.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述钼源选自Mo(CO)6、MoO2(acac)2、MoCl5中的至少一种。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述碳化处理的条件包括：碳化温度为600-1000℃，碳化时间为0.5-5h。
9.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述原子沉积法的条件各自独立地包括：沉积时间为5-30s，沉积温度为150-200℃。
10.权利要求1-3中任意一项所述的锂硫电池用夹层材料在锂硫电池中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211268145.0A CN115642370A (zh) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | 锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211268145.0A CN115642370A (zh) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | 锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115642370A true CN115642370A (zh) | 2023-01-24 |
Family
ID=84945575
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211268145.0A Pending CN115642370A (zh) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | 锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115642370A (zh) |
-
2022
- 2022-10-17 CN CN202211268145.0A patent/CN115642370A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11664487B2 (en) | Negative electrode active material for lithium secondary battery and method for preparing the same | |
| KR101502538B1 (ko) | 리튬 유황 2차 전지용의 양극 및 그 형성 방법 | |
| JP7148150B2 (ja) | 再充電可能なバッテリのための２次元物質によるリチウム金属のパッシベーション | |
| US20180183041A1 (en) | Sulfur-containing carbon nanotube arrays as electrodes | |
| KR20230079176A (ko) | 나트륨 이온 전지의 애노드 극판, 전기화학 장치 및 전자 장치 | |
| CN111987278B (zh) | 一种锂金属二次电池用复合隔膜及其制备方法和应用 | |
| CN108987647B (zh) | 锂硫电池隔膜的制备方法 | |
| CN112234197B (zh) | 一种无定形碳-硅-碳纳米纤维-石墨复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN114497506A (zh) | 一种硬碳-无机锂盐复合电极材料及其制备方法和应用 | |
| Zeng et al. | Regulating alkali metal deposition behavior via Li/Na-philic Ni nanoparticles modified 3D hierarchical carbon skeleton | |
| CN116683017A (zh) | 一种高能量密度的无钠负极钠电池 | |
| CN115207303A (zh) | 一种高能快充的石墨负极复合材料及其制备方法 | |
| KR20170111288A (ko) | 음극 및 이를 포함하는 이차 전지 | |
| WO2015092959A1 (ja) | リチウム硫黄二次電池 | |
| CN112909227A (zh) | 用于可再充电锂电池的负极活性物质和可再充电锂电池 | |
| CN108899470B (zh) | 一种Li-S电池正极片夹层结构的制备方法 | |
| US20230125633A1 (en) | Nanoporous electrode | |
| CN115642370A (zh) | 锂硫电池用夹层材料及其制备方法和应用 | |
| CN110649213B (zh) | 一种用于锂硫二次电池的涂覆隔膜材料及其应用 | |
| JP2015118749A (ja) | リチウム硫黄二次電池用正極の形成方法 | |
| KR20190038519A (ko) | 실리콘/그래핀 복합체의 제조방법 및 이를 이용한 이차전지의 제조방법 | |
| KR20190088313A (ko) | 리튬 이차 전지용 음극 활물질 및 그 제조방법 | |
| CN115064686B (zh) | 一种磷化铜/磷/碳纳米管共掺杂硬碳复合材料的制备方法 | |
| CN112201904B (zh) | 一种锂硫电池的隔膜中间层材料及其制备方法和应用 | |
| Pandey et al. | High Performance Tin-coated Vertically Aligned Carbon Nanofiber Array Anode for Lithium-ion Batteries |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |