一种锂硫电池催化夹层材料的制备方法及催化夹层材料

本发明属于锂硫电池，特别涉及一种锂硫电池催化夹层材料的制备方法及催化夹层材料。

背景技术：

1、随着社会的发展，人们对于能源的需求不断增加，由于传统的化石能源会不可避免地造成环境污染，2020年9月我国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标，推动了清洁能源的大力发展。然而，太阳能、风能和水力发电受到地理位置，环境气候等影响，具有不稳定性、不连续性和间歇性等问题。因此如何将清洁能源进行储存成为了当前亟需解决的问题。

2、当前锂离子电池已被商业化广泛应用，但其受到能量密度的限制已逐渐不能满足当下的需求。锂硫电池由于具有更高的能量密度及活性材料硫成本低廉等优点，是当前十分有潜力的新型电池体系。然而，由于硫的导电性差和中间多硫化物的穿梭效应，锂硫电池的大规模应用依然面临很多挑战。1、聚硫化物的穿梭效应。在电池的充放电循环过程中，电池中的多硫化物在电场力和浓度梯度的作用下穿透隔膜，在正负极之间穿梭产生穿梭效应。2、体积膨胀。由于s和li2s密度的不同，循环过程中阴极材料的体积变化较大(≈79％)，导致正极材料产生机械应力和应变，影响正极材料的结构完整性和循环稳定性；3、活性物质和放电产物的绝缘性。硫及放电产物li2s2/li2s的导电性比较差，其中，li2s2/li2s会在锂金属表面集聚产生沉积层，延缓了离子的扩散。针对现阶段锂硫电池中存在的种种问题，研究人员进行了大量尝试，如改良电解液，引入夹层，改进隔膜等等。其中，在隔膜和活性电极之间构建功能性夹层被认为是一种可靠而又简单的方法。

3、中间层不仅通过限制多硫化物向阳极扩散来抑制严重的穿梭效应，还保证了多硫化物高效的电催化转化，从而提高了活性材料的利用率和整体电化学性能。作为“多硫化物筛”的功能夹层能够通过物理或化学吸附中间体多硫化物(lips)，这种功能性夹层由三部分组成:一是极性材料，为有效锚定多硫化物提供大量吸附位点，一种导电介质，在氧化还原过程中促进快速电荷转移，最后则是多孔结构，允许有效的电解质渗透，并在氧化还原反应过程中应对体积膨胀，从而稳定硫电化学反应。当前已经研究了各种极性材料，如导电多孔碳、金属硫化物、金属氧化物、金属氮化物、金属磷化物等作为正极中间层，以提高锂硫电池的性能。

4、现有锂硫电池夹层存在的问题有：(1)传统的夹层材料，如导电碳材料，对可溶性lips的吸附一般为物理吸附作用，因此导致其弱的吸附强度，并且由于电解质润湿性差而导致离子导电性低，这阻碍了循环和转化反应动力学；(2)使用能够化学吸附可溶性lips的金属化合物作为功能夹层，由于其导电性差，导致低的初始放电容量和硫利用率；(3)传统的夹层，为了达到预期性能，因此夹层的厚度和重量一般较大，这也大大降低了电池体系整体能量密度。

5、mxene是一类二维过渡金属碳化物和氮化物，为克服碳质基质的缺点提供了一种很有前途的解决方案。首先，mxene具有独特的2d结构，优异的机械性能和对锂金属的化学稳定性。第二，具有丰富的极性表面官能团，可以通过氧化还原和路易斯(lewi s)酸碱相互作用协调锚定多硫化物(lips)。第三，mxenes具有高的导电性和低的li+扩散系数，提高了多硫化物的双向转化动力学，降低了锂电镀/剥离过程中的过电位，同时提高了硫正极的电化学性能。因此被认为具有很好的前景，但是由于mxene易堆叠导致其减少了其表面的活性位点，堆叠的块状mxene更是阻碍了导电通路，因此对mxene进行界面和结构调控设计被认为是解决目前遇到上述难题的有效策略。

技术实现思路

1、为了解决现有锂硫电池电化学性能和循环特性不足的问题，本发明提供了一种锂硫电池催化夹层材料的制备方法，该方法制备的锂硫电池催化夹层材料能够抑制锂硫电池中的多硫化物穿梭效应，改善锂硫电池的电化学性能和循环特性，进而加快锂硫电池的商业化进程。

2、本发明还提供了一种锂硫电池催化夹层材料。

3、本发明通过以下技术方案实现：

4、本发明提供一种锂硫电池催化夹层材料的制备方法，所述制备方法包括：

5、将多层ti3c2tx分散于水后进行超声剥离，后离心，收集上层悬浮液冷冻干燥，对干燥产物进行研磨，获得少层ti3c2 mxene；

6、将聚丙烯腈溶于n,n-二甲基甲酰胺，后加入所述少层ti3c2 mxene，获得混合液；

7、以所述混合液为原料进行静电纺丝，所得产物进行真空干燥，获得ti3c2 mxene/pan纤维膜；

8、将所述ti3c2 mxene/pan纤维膜在空气氛围下进行升温预氧化，后在氩气气氛下进行高温碳化，获得多孔ti3c2 mxene纤维膜。

9、进一步的，所述将多层ti3c2tx分散于水后进行超声剥离，后离心，收集上层悬浮液冷冻干燥，对干燥产物进行研磨，获得少层ti3c2 mxene，具体包括：

10、将多层ti3c2tx分散于水，浓度为2mg/ml，进行超声剥离后离心，收集上层悬浮液冷冻干燥，对干燥产物进行研磨并过400目筛，获得少层ti3c2 mxene。

11、进一步的，所述将多层ti3c2tx分散于水，浓度为2mg/ml，进行超声剥离后离心，收集上层悬浮液冷冻干燥，对干燥产物进行研磨并过400目筛，获得少层ti3c2 mxene，具体包括：

12、将多层ti3c2tx分散于水，浓度为2mg/ml，置于350w功率的冰浴中超声剥离3h，后以8000r/min离心20min，收集上层悬浮液冷冻干燥，对干燥产物进行研磨并过400目筛，获得少层ti3c2 mxene。

13、进一步的，所述将聚丙烯腈溶于n,n-二甲基甲酰胺，后加入所述少层ti3c2 mxene，获得混合液，具体包括：

14、将聚丙烯腈溶于n,n-二甲基甲酰胺，后加入所述少层ti3c2 mxene，获得混合液；

15、其中，所述混合液中，聚丙烯腈的浓度为0.08±0.01g/ml，所述少层ti3c2 mxene的含量为25～75wt％。

16、进一步的，所述以所述混合液为原料进行静电纺丝，所得产物进行真空干燥，获得ti3c2mxene/pan纤维膜，具体包括：

17、以所述混合液为原料进行静电纺丝，所得产物在60±5℃下进行真空干燥12±2h，获得ti3c2 mxene/pan纤维膜；

18、其中，在静电纺丝工艺中，所述混合液的流速为0.4～1ml/h，静电纺丝电压为12～20kv。

19、进一步的，所述将所述ti3c2 mxene/pan纤维膜在空气氛围下进行升温预氧化，后在氩气气氛下进行高温碳化，获得多孔ti3c2 mxene纤维膜，具体包括：

20、将所述ti3c2 mxene/pan纤维膜在空气氛围下以2℃/min升温至250±10℃预氧化1±0.5h，后在氩气气氛下以5℃/min升温至700±50℃保温1±0.2h进行碳化，获得多孔ti3c2mxene纤维膜。

21、基于同一发明构思，本发明提供一种锂硫电池催化夹层材料，所述催化夹层材料通过上述一种锂硫电池催化夹层材料的制备方法制得。

22、基于同一发明构思，本发明提供一种锂硫电池，所述锂硫电池中包含上述一种锂硫电池催化夹层材料。

23、基于同一发明构思，本发明提供一种锂硫电池的制备方法，所述制备方法包括：

24、将上述一种锂硫电池催化夹层材料裁切成直径为19mm的圆片，获得锂硫电池夹层；

25、将所述锂硫电池夹层与正极壳、正极、隔膜、锂片、垫片、弹片和负极壳组装成锂硫电池。

26、本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

27、1.本发明一种锂硫电池催化夹层材料的制备方法，该方法通过静电纺丝技术将ti3c2mxene引入到具有尺寸和取向可调控的聚丙烯腈纤维中，通过调节聚丙烯腈纤维管径尺寸和取向，进而达到调控ti3c2 mxene纤维膜的比表面积和孔隙率的目的，聚丙烯腈具有碳化率高，碳化后结构稳定的优势，将炭化后得到的多孔ti3c2 mxene纤维膜组装到锂硫电池体系中，作为其功能性夹层，能够解决电池循环过程中出现的体积膨胀穿梭效应及硫的不导电等问题，最终达到提高锂硫电池的能量密度，倍率性能和长效循环稳定性的目的。

28、2.本发明一种锂硫电池催化夹层材料，通过静电纺丝技术开发了结构形态可控的碳纳米纤维和ti3c2 mxene组成的多功能mxene夹层，该夹层在提高锂硫电池性能方面发挥着多重作用，首先，本发明的多孔ti3c2 mxene纤维膜是一种三维网状结构，能够对lips进行物理吸附；另外，ti3c2 mxene通过氧化还原和路易斯(lewi s)酸碱相互作用协调锚定lips(属于化学吸附)，这种物理和化学吸附结合的方式能有效抑制穿梭现象，增强了循环稳定性；其次，ti3c2 mxene由于其亲水性更大大改善了电解质润湿性，且三维网状结构大的比表面积提供了更多的成核位点，增加了硫的利用率，通过碳化工艺获得的碳纳米纤维以及本身导电的ti3c2 mxene能够加快循环和转化反应动力学；最后，通过静电纺丝制造的mxene夹层，能够大面积上实现质量和厚度的精确控制，最大限度地减少了锂硫电池的能量密度损失。