[发明专利]一种多极化中心的碳纳米管/钒酸锂复合膜的制备方法及其在催化锂硫电池反应中的应用

说明书

一种多极化中心的碳纳米管/钒酸锂复合膜的制备方法及其在催化锂硫电池反应中的应用，本发明用化学气相沉积法制备碳纳米管气凝胶的过程中，在碳纳米管气凝胶悬浮于空中未团聚之前，通过气流运输将带有NH₄VO₃的纳米粉体高速吹入碳纳米管凝胶中直接复合成膜。再经过辊压、热处理和锂化，得到含有多极化中心的Li₃V₂O₅，Li离子插入V₂O₅晶体结构得到电负性高的O原子形成高负电势中心，Li和V形成高正电势中心，与极性LiPS形成Li‑S、V‑S和Li‑O化学键而吸附，从而有效固定LiPS，避免活性物质的流失。碳纳米管/Li₃V₂O₅复合膜作为拥有持续良好电接触的S宿主。可实现最佳的电子传输和电化学性能，最大化电化学可利用的反应位点，同时提供更强的物理支撑。

技术领域

本发明涉及一种复合碳纳米管膜的催化剂，该催化剂为五氧化二钒（V₂O₅）在电化学反应过程插入锂离子形成的钒酸锂（Li₃V₂O₅），Li₃V₂O₅高电负性的O原子吸引Li和V电子云形成两个正电势和一个负电势极化中心，多极化中心更有效铆钉活性物质并催化锂硫电池（Li-S）反应的方法。

背景技术

当前商业化锂离子电池（LIB）的容量有限、成本高，难以满足不断增长的能量存储需求。Li-S的主要活性物质S在地壳中含量高、成本低且对环境没有污染，尤其是其超高的理论比容量（1675 mA h g^-1）和能量密度（2600 Wh kg^-1）被认为是最有前途的下一代储能材料之一。然而，由于固态的S和最终产物Li₂S较大的绝缘特性导致反应速度慢，电极极化大，倍率差。此外，放电过程中形成的可溶性中间产物长链多硫化锂（LiPS，Li₂Sn，n = 4、6或8）可溶于电解质中，一部分LiPS穿梭到锂金属负极沉积，还有一部分游离在电解液中，导致内部电阻飙升和“死”硫产生，以至于电池容量快速衰减。

人们为解决这些问题做了很多努力，包括合理设计和修饰正极基质材料，保护锂负极，优化电解质添加剂和制备功能化隔膜等。通过功能层充当物理屏障，防止溶解大量的多硫化物进一步扩散到负极。此外，在放电-充电过程中，特殊设计的改性隔膜可捕获和再利用可溶性LiPS，并作为第二集流体。因而功能性隔膜已被认为是增强Li-S电化学性能的有效方法。Peng等人在《Nature Catalysis》2020年3卷9期762-770页发表题为《Afundamental look at electrocatalytic sulfur reduction reaction》通过氮硫双掺杂石墨烯显著降低了反应的活化能，改善反应动力学，Zhao等人在《Nature Nanotechnology》2021年16卷2期166-173页发表《A high-energy and long-cycling lithium-sulfurpouch cell via a macroporous catalytic cathode with double-end bindingsites》，通过在负极均匀嵌入ZnS纳米粒子和Co-N-C单原子催化剂，在高度定向的大孔主体内形成双端结合位点，在循环过程中能有效地固定和催化转化多硫化物中间体，从而消除穿梭效应和锂金属腐蚀，Chen等人在《ACS Nano》2019年13卷6期6742-6750页发表《Blocking polysulfide with Co₂B@CNT via synergetic adsorptive effect towardultrahigh-rate capability and robust lithium-sulfur battery》，开发了一种有效的功能隔膜，通过在商品化聚丙烯隔膜上涂覆Co₂B@CNT层来抑制穿梭效应。