[发明专利]杂原子掺杂碳纳米管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碳纳米管修饰碳纤维纸及其制备方法和应用。利用非共价键修饰碳纳米管形成均匀的碳纳米管分散液，将天然纤维素浸泡其中，再经过干燥碳化得到杂原子掺杂碳纳米管修饰碳纤维纸。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碳纳米管修饰碳纤维纸及其制备方法和应用，可应用于锂硫电池的隔层，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。例如，硫是个绝缘体，与电极材料间的电化学反应迟钝；中间多硫化物的产生会在电解液中溶解，在正负极之间穿梭，造成硫的不可逆损失，严重影响库伦效率、循环稳定性、增大了电池内阻；Li₂S（1.66 g cm^-3）与S（2.03 g cm^-3）密度相差较大，产生的体积膨胀会使电池容量迅速衰减。如何在正极区域将可溶性多硫化物富集和再利用成为了锂硫电池未来实际应用的关键。

针对上述问题，研究者们发现通过调控电极结构和组成使用物理/化学的方法将硫活性物质固定在电极内是一种有效的解决策略，其中将硫正极固定在碳材料，导电聚合物，金属氧化物以及金属/共价有机骨架等主体材料中是最为有效方法之一。尽管上述方法可以很好地抑制“穿梭效应”，提高锂硫电池的循环稳定性，但是复合材料的制备成本高，工艺复杂，同样会阻碍锂硫电池的实际应用。为此，研究者们探索出在S正极和隔膜之间添加具有良好导电性和自支撑特性的功能性隔层来固定多硫化物的方法，这种方法方便且更具成本效益，在充放电过程中，隔层材料会成为新的S载体材料，可以提高S的导电性并束缚多硫化物。现在的隔层材料由于自身的孔径过大，难以束缚住多硫化物，但是当采用石墨烯等致密的材料作为隔层时，不仅阻挡的多硫化物同时也阻碍了锂离子的传输，导致容量偏低，如何设计开发出既能束缚多硫化物穿梭，同时又不阻碍锂离子传输的隔层成为研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自支撑的杂原子掺杂碳纳米管修饰碳纤维纸、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：一种自支撑的杂原子掺杂碳纳米管修饰碳纤维纸，以直径为1~10 μm的空心碳管相互交缠的3D网络状结构为支架，并在该结构表面负载杂原子掺杂的碳纳米管。

进一步的，杂原子掺杂的碳纳米管中杂原子掺杂量在1%~10%之间。

进一步的，杂原子掺杂的碳纳米管的负载量在20%~40%之间。

更进一步的，杂原子为N、P、S中的一种或者多种。

上述杂原子掺杂碳纳米管修饰碳纤维纸的制备方法，包括以下步骤：

第一步，将碳纳米管超声分散于去乙醇中，超声1h，制成一定浓度的分散液；

第二步，将含有杂原子的线性聚合物溶于溶剂中并滴加到第一步中的碳纳米管分散液中，超声分散一定时间，形成稳定的分散液，含有杂原子的线性聚合物与碳纳米管的质量比为0.5~5；

第三步，将自然纤维素物质经过去离子水和乙醇超声清洗烘干之后，浸入第二步制得的分散液中浸泡3~48 h，取出烘干；