[发明专利]杂原子掺杂多孔石墨烯修饰碳纤维纸及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种杂原子掺杂多孔石墨烯修饰碳纤维纸作为锂硫电池隔层的制备方法。采用简单的浸渍加焙烧的方法制备具有自支撑特性的杂原子掺杂多孔石墨烯修饰的碳纤维纸。该碳纤维纸可作为锂硫电池的隔层材料，通过物理束缚和化学吸附的作用可以抑制多硫化物的“穿梭效应”，杂原子的掺杂对多硫化物向硫化锂的转变反应具有一定的催化效应，可以促进多硫化物向硫化锂的转变，从而提高锂硫电池的反应动力学，进而提高锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种杂原子掺杂多孔石墨烯修饰碳纤维纸及其制备方法和应用，属于化学电源领域。

背景技术

随着世界经济的迅猛发展,不可再生能源的日趋枯竭及环境污染问题严重威胁着人类的生存与发展。因此研究开发新能源和环境友好型的功能材料具有重要意义。在新的电池体系中,锂硫电池因其高理论能量密度等优点，被认为是极具潜为的下一代高能量电池体系,成为全世界的研究热点。锂硫电池虽然具有高能量密度等巨大优势，然而仍存在一些关键性问题制约着其市场化应用。单质硫在放电过程中生成的多硫化物易溶解在电解液中，发生迁移扩散，在正负极之间来回穿梭，导致电池的正极材料的利用率下降，容量衰减较快，这就是“穿梭效应”。抑制“穿梭效应”提高锂硫电池循环稳定性的关键。2012 年，Manthiram课题组首次提出“隔层”这个概念。隔层是位于正极和隔膜中间，减缓多硫化锂的扩散，再次利用被捕获的含硫相，阻止活性物质硫的损失，改善锂硫电池长循环寿命和提高活性物质硫的利用率。Manthiram课题组报道将多壁碳纳米管纸(MWCNT)作为锂硫电池隔层，通过简单的分散、真空抽滤得到自支撑的 MWCNT。柔性碳隔层本身导电性好，能够减少界面阻抗，提供电子传输通道，起到二次集流体作用。（Accounts of Chemical Research,2012, 46(5): 1125-1134.）。Singhal采用静电纺丝技术得到 PAN 纳米纤维纸，再经碳化、CO₂活化，得到孔道结构丰富的碳纳米纤维隔层以及 PAN-Nafion纳米纤维隔层应用在锂硫电池上，碳纤维隔层不仅可以减小电化学阻抗，同时可以固定溶出的多硫化锂。通过对隔层厚度和孔结构的优化设计，电池首次放电容量高达1549 mAh/g（Journal of MaterialsChemistry A, 2015, 3(8): 4530-4538.）。

为了进一步抑制多硫化物扩散，只用物理方法阻隔还远远不够，研究者们利用在隔层表面进行修饰，比如在隔层表面引入功能官能团，增加对多硫离子的吸附能力。Vizintin等人采用化学方法制备出不同含氟官能团的rGO隔层，这种隔层材料具有强疏水性，抑制多硫化物向锂负极扩散，提高了电池的循环稳定性（ChemSusChem, 2014, 7(6):1655–1661.）。但是，上述制备方法复杂且成本较高，因此迫切需要一种能够大规模、低成本、简单的合成方法来制备高性能的锂硫电池隔层材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种杂原子掺杂多孔石墨烯修饰碳纤维纸、制备方法及其将其作为锂硫电池隔层的用途。

实现本发明目的的技术解决方案为：本发明所述的一种自支撑的杂原子掺杂多孔石墨烯修饰碳纤维纸，所述碳纤维纸以直径为1~10 μm的空心碳管相互交缠形成的3D网络状结构为支架，并在该结构表面负载杂原子掺杂的多孔石墨烯。

进一步的，杂原子掺杂的多孔石墨烯中杂原子掺杂的量在1%~10%之间。

进一步的，杂原子掺杂的多孔石墨烯的负载量在10%~30%之间。

更进一步的，杂原子为N、P、S、B、F中的一种或者多种。

上述杂原子掺杂多孔石墨烯修饰碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将含有杂原子的有机物溶于溶剂中，并滴加到多孔氧化石墨中，其中，含有杂原子的有机物与多孔氧化石墨的质量比为1~5，水浴加热反应一定时间，形成稳定的分散液；