[发明专利]一种应用于锂硫电池隔层的碳化铁复合纳米碳纤维膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种应用于锂硫电池隔层的碳化铁复合纳米碳纤维膜及其制备方法，属于功能性纳米纤维膜的制备技术领域。该方法包括以下步骤：聚丙烯腈（PAN）与硫酸亚铁按比例溶于N‑N二甲基甲酰胺（DMF）中，充分搅拌，静电纺丝，高温碳化，得到碳化铁复合纳米碳纤维膜。本发明制备方法简单、流程短，效率高。所制得的碳化铁复合纳米碳纤维具有优异的导电性且对多硫化物具有明显的吸附作用，可作为锂硫电池、锂硒电池的导电隔层。

技术领域

本发明涉及一种复合纳米碳纤维膜，特别涉及一种应用于锂硫电池隔层的碳化铁复合纳米碳纤维膜(Fe₃C-CNF)及其制备方法，属于储能体系器件材料领域。

背景技术

随着便携式电子设备，电动汽车以及智能电网的发展，对可充电储能系统的需求越来越高。锂硫电池因具备高理论比容量(1675mAh g^-1)和高理论比密度(2600Wh kg^-1)而受到广泛的关注。此外，硫还具有贮备丰富、低价、无毒等优点。然而，锂硫电池规模化应用仍受到限制，主要原因是(1)低的活性物质利用率，(2)差的循环寿命。因此，开发商业锂硫电池急需解决两个主要问题：1.硫及其放电产物(L₂S₂/Li₂S)导电性差，导致低的活性物质利用率；2.循环过程中产生的硫化物(Li₂S_x，2＜x≤8)溶解在电解液中，导致快速容量衰减和低库伦效率。

上述问题指出锂硫电池发展的两个主要方向，即提高正极导电性和抑制多硫化物的扩散。一种有效的电极设计是将活性材料封装在导电框架，例如核壳纳米结构电极、纳米碳-硫复合电极以及导电高分子-硫复合电极。除了电极的设计对活性物质的封装外，在正极和隔膜之间添加自支撑的高导电、高比表面积碳纳米纤维膜也是一种提高锂硫电池性能的有效方法。纳米碳纤维膜(CNF)作为额外的集流器，为绝缘的S和Li₂S₂/Li₂S提供良好电子传输通道，并且阻止多硫化物的迁移。在锂硫电池正极和隔膜间添加碳基隔层，作为物理屏障限制多硫化物迁移，可有效提高电池电化学性能。然而，非极性碳基材料与极性硫化物相互作用力弱，不能主动吸附可溶性多硫化物，导致容量衰减迅速，尤其是在长时间循环。因此，对碳材料隔层进行各种改性，使其具对多硫化物具有化学键和的能力，如复合金属氧化物(TiO₂、ZnO)、金属有机框架材料、元素掺杂等。这些改性后的碳基隔层增加了对多硫化物吸附的能力，提高了正极硫利用率和锂硫电池的循环寿命。

发明内容

本发明提供一种应用于锂硫电池隔层的碳化铁复合纳米碳纤维膜的制备方法，该方法具有。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种应用于锂硫电池隔层的碳化铁复合纳米碳纤维膜的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)纺丝溶液的配置：取聚丙烯腈(PAN)、铁盐溶于N-N二甲基甲酰胺(DMF)中，充分搅拌得到均匀的纺丝溶液；

(2)纳米纤维膜制备方法：将步骤(1)所得的纺丝液纺成纳米纤维膜；

(3)纳米碳纤维膜制备：将步骤(2)所获得的纳米纤维膜在600-1200℃的温度下进行碳化，制得碳化铁复合纳米碳纤维膜。

作为优选，所述步骤(1)中，PAN和铁盐的重量比为10：0.1-5。

作为优选，所述步骤(1)中，添加的铁盐选自硫酸亚铁、硫酸铁、氯化亚铁、氯化铁、硝酸亚铁、硝酸铁、氢氧化铁、普鲁士蓝或氧化亚铁中的一种或多种组合。