[发明专利]一种新型Fe3

说明书

本发明属于集成电极制备技术领域，涉及一种新型Fe₃C/N‑CNF@RGO集成电极的制备方法，采用一维Fe₃C纳米颗粒修饰的氮掺杂的碳纳米纤维Fe₃C/N‑CNFs和二维还原氧化石墨烯RGO片材制备成集成电极作为Li₂S₆正极的独立载体，制备过程简单，操作方便，集成一维和二维材料物理化学的双重作用，有效抑制锂硫电池的穿梭效应，改善锂硫电池的性能，加速多硫化物的转化效率，延长锂硫电池的使用寿命。

技术领域：

本发明属于集成电极制备技术领域，涉及一种新型Fe₃C/N-CNF@RGO集成电极的制备方法，将制备的集成电极用于锂硫电池，可有效提高锂硫电池性能。

背景技术：

目前，为满足便携式电子产品、电动汽车和电网日益增长的需求，市面上出现了很多具有高能量密度和长期循环能力的可再生环保电池，其中锂硫电池 (LSBs)由于具有高的理论比容量(1675mAh g^-1)、高重量能量密度(2600Wh kg)^-1)、存储丰富、环境友好、成本低等优点，在电能存储方面具有不可忽视的潜力。但在实际应用中锂硫电池还存在一些问题需要克服，包括硫及其放电产物 Li₂S₂/Li₂S的绝缘性，单质硫在循环过程中的剧烈体积膨胀，以及可溶性长链聚硫化锂(LiPSs,Li₂S_n,4≤n≤8)的穿梭效应，导致LSBs的硫利用率低，容量下降快，库仑效率低，循环能力有限。

针对上述问题，现有技术主要通过设计正极载体材料、修饰隔膜、增加电解液添加剂等途径实现硫正极封装，其中，最常见的方法是设计各种承载硫的基体材料，尤其是碳硫复合材料，碳硫复合正极的合成不仅能有效提高电极整体电导率，而且通过对聚硫化物的物理吸附，在一定程度上减轻了聚硫化物中间体的溶解，但由于非极性碳与极性聚硫化物之间的物理相互作用较弱，硫利用率仍然较低，不足以解决“穿梭效应”。为了解决这一问题，近年来人们开发了一些强极性杂原子掺杂碳材料，如N、P、B、O或金属基碳复合材料，这些极性载体材料因其强烈的化学吸附作用不仅能实现锚固极性聚硫化物中间体的目的，还可以有效抑制可溶性聚硫化物在电解质中的穿梭，而且由于邻近碳基质的电子性质还可以通过施加电子给体效应提高绝缘硫电极的电导率。在极性材料中，也有一些在LiPSs转化过程中具有催化LSBs促进反应动力学的催化能力，例如文献“Twinborn TiO₂–TiNheterostructures enabling smooth trapping–diffusion–conversion ofpolysulfides towards ultralong life lithium–sulfur batteries”公开的TiN，文献“Synchronous immobilization and conversion of polysulfides on a VO₂–VN binaryhost targeting high sulfur load Li–S batteries”公开的VN,文献“Rational designof free-standing 3D porous MXene/rGO hybrid aerogels as polysulfidereservoirs for high-energy lithium–sulfur batteries”公开的 MXene,文献“Rational design of Co₉S₈/CoO heterostructures with well-defined interfacesfor lithium sulfur batteries:A study of synergistic adsorption-electrocatalysis function.”公开的CoS,文献“Transformation from FeS/Fe₃Cnanoparticles encased S,N dual doped carbon nanotubes to nanosheets forenhanced oxygen reduction performance”公开的FeS，文献“Freestanding Mo₂C-decorating N-doped carbon nanofibers as 3D current collector for ultra-stableLi-S batteries”公开的MoC，文献“Patterned macroporous Fe₃C/C membrane-inducedhigh ionic conductivity for integrated Li–sulfur battery cathodes”公开的Fe₃C等等，它们都具有很强的化学吸附作用和电化学催化能力，可实现在吸附位点上原位LiPSs中间相的转化，从而加快了从可溶性长链LiPSs到不溶短链LiPSs的转化反应，从而实现减轻LSBs穿梭效应和提高其电化学性能的目的，文献“Expediting redox kinetics ofsulfur species by atomic-scale electrocatalysts in lithium–sulfur batteries”证明了这一点。虽然金属基碳复合材料的基体材料对聚硫化物有很好的吸附作用，但当硫负荷较高时，它们不能有效地吸收大量的聚硫化物，而2D 还原氧化石墨烯(RGO)片可以通过物理屏障承受高硫负荷。综合考虑到这些因素，有必要设计一种新型电极的制备方法，将两种不同的功能材料集成在一起建立异质结构以实现物理化学双吸附能力和电催化活性。