[发明专利]一种金属锡和碳纳米管共掺杂的锂硫电池中间层材料及制备方法和应用

说明书

本发明提供一种金属锡和碳纳米管共掺杂的锂硫电池中间层材料及制备方法和应用，中间层材料具有碳纳米管与碳纳米纤维相互交织的三维蛛网状结构，碳纳米管附着在交联的碳纳米纤维表面，且碳纳米纤维表面或内部负载有金属锡纳米颗粒。制备过程如下：将导电聚合物加入溶剂中，不断搅拌使其溶解，在溶液中依次加入碳纳米管和锡盐，混合均匀后，持续搅拌得到纺丝液；将纺丝液在干燥环境下进行静电纺丝操作，得到纺丝纤维膜；将纺丝纤维膜进行预氧化处理和碳化处理，得到金属锡和碳纳米管共掺杂的中间层材料。本发明制备的中间层材料能很好的提升正极的整体导电性以及对穿梭效应起到良好的抑制作用，可有效提高锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种金属锡和碳纳米管共掺杂的锂硫电池中间层材料及制备方法和应用。

背景技术

随着社会实际生产生活的需要，对高能量储能系统的需求日益增长，锂硫电池由于其自身各种优势得到了越来越广泛的关注。锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。利用硫作为正极材料的锂硫电池，具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和能量密度(2600Wh/kg)，其理论能量密度约为传统锂离子电池的5倍。此外硫作为石油工业的副产物，价格低廉且对环境友好，因此锂硫电池是一种非常有前景的锂电池。

但是锂硫电池的固有缺陷大大限制了发展，其中突出问题就是“穿梭效应”，多硫化物溶解在电解质中并在正负极之间循环穿梭，从而导致电池容量损失加快，另外，活性物质硫较低的电导率也在放电过程中形成了阻碍，一系列问题导致锂硫电池电化学性能下降，影响了锂硫电池的大规模商业化应用。

发明专利CN 108039462A公布了一种锂-硫电池的导电高聚物复合物的中间层的制造方法，包括步骤：(1)氧化石墨烯上导电高聚物纳米棒阵列的生长制备；(2)多孔碳纳米管的制备；(3)以导电高聚物-氧化石墨烯-多孔碳纳米管复合物为中间层的锂硫电池的制备。本发明采用导电高聚物-氧化石墨烯-多孔碳纳米管复合物为中间层，利用多孔碳纳米管表面大量的纳米微孔结构，以及氧化石墨烯薄膜上生长的导电高聚物纳米棒阵列，不仅极大地增强了电池充放电过程中电子的传输能力，而且该复合物的多孔结构能够保持锂离子的传输能力，从而提高了正极活性材料的利用率；并且，导电高聚物的含氮官能团与氧化石墨烯表面的含氧官能团能够有效吸附放电过程中形成的多硫化物向电解质溶液的迁移与溶解，大大提高了电池的循环稳定性。

上述对比文件中制备的中间层材料制其原料较多，制备流程复杂，实验条件不易控制；其产品受温度和搅拌速度等外界条件影响较大，材料的形貌实则难以精确控制；利用真空抽滤外力挤压形成产品，不易于材料的均匀分布，很容易造成最终电化学性能的不稳定性；备成锂硫电池后，在100次循环后其电池循环性能的放电比容量较低。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本申请提供一种金属锡和碳纳米管共掺杂的锂硫电池中间层材料及制备方法和应用，应用本发明提供的金属锡和碳纳米管共掺杂的锂硫电池中间层材料，可有效提高锂硫电池的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种金属锡和碳纳米管共掺杂的锂硫电池中间层材料，所述中间层材料具有碳纳米管与碳纳米纤维相互交织的三维蛛网状结构，碳纳米管附着在交联的碳纳米纤维表面，且碳纳米纤维表面或内部负载有金属锡纳米颗粒。

一种金属锡和碳纳米管共掺杂的锂硫电池中间层材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：将导电聚合物加入溶剂中，不断搅拌使其溶解；

S2、在步骤S1制备的溶液中依次加入碳纳米管和锡盐，混合均匀后，持续搅拌得到纺丝液；

S3、将步骤S2制备的纺丝液在干燥环境下进行静电纺丝操作，得到纺丝纤维膜；

S4、将步骤S3制备的纺丝纤维膜进行预氧化处理和碳化处理，得到金属锡和碳纳米管共掺杂的中间层材料。