[发明专利]双金属磷化物镶嵌的碳中空纳米笼及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种双金属磷化物镶嵌的碳中空纳米笼及其制备方法和应用，包括以下步骤：将镍钴普鲁士蓝衍生物分散在液体媒介中，制备分散液，将盐酸多巴胺加至所述分散液中，制得聚多巴胺包裹的镍钴普鲁士蓝；聚多巴胺包裹的镍钴普鲁士蓝衍生物煅烧处理，制备镍钴双金属颗粒镶嵌的碳中空纳米笼；以磷化氢为磷化剂，将双金属颗粒镶嵌的碳中空纳米笼一步磷化，制备双金属磷化物镶嵌的碳中空纳米笼；将双金属磷化物镶嵌的碳中空纳米笼、炭黑和聚偏氟乙烯制备分散液，之后将所述分散液涂敷在聚丙烯隔膜上，干燥后，制得多功能隔膜；本发明显著的提升了锂硫电池的综合性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种双金属磷化物镶嵌的碳中空纳米笼及其制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池一般由金属锂负极、硫正极、电解液和隔膜这四部分组成，是以硫-硫键的断裂生成来实现电能和化学能相互转换的一类高能量密度电池体系，具有成本低、环境友好等优点，理论比容量和能量密度分别为1675mAh h^-1和2600Wh kg^-1，是目前已商业化锂离子电池理论能量密度的五倍以上。

然而，锂硫电池仍存在着一些问题：

(1)S和Li₂S₂/Li₂S都属于电子绝缘性材料，因此在电池充放电循环过程中会产生较大的内阻，降低反应的活性；目前解决的方法主要是将S和导电性好的各种碳材料进行复合，这在一定程度上也会大大的降低S的负载量；此外，由于Li₂S较差的导电性，电极上的S很难完全地转化为Li₂S，因此通常难以获得理论比容量；

(2)由于S(2.03g cm^-3)和Li₂S(1.66g cm^-3)之间存在密度差，因此在完全放电状态下，硫将经历高达80％的体积膨胀，严重的体积膨胀将导致电极材料的脱落与失效，从而引起电池性能的急剧衰减，同时也限制了具有高负载量的硫正极的进一步应用；

(3)锂硫电池工作机制是一个“固－液－固”的过程，多硫化物中间体在有机溶剂中通常都具有良好的溶解性，这使得在循环过程中正极材料不断向电解液中溶出，造成不可逆容量；此外，由于S在有机溶剂中溶解性优于Li₂S，导致S向多硫化物的转化快于多硫化物向Li₂S的转化，这进一步使得电解液中多硫化物的含量的升高；与此同时，由于溶解到电解液中的多硫化物还原成Li₂S时通常覆盖在正极的表面，这降低了正极的导电性；

(4)穿梭效应：由于多硫化物能够较好地溶解到有机醚类电解液当中，因此能够很容易地扩散到负极表面，从而直接与负极的金属锂片进行反应，造成容量的损失，且反应生成的Li₂S导电性较差，也会对负极的循环稳定性造成一定程度的影响；目前主要的研究致力于改善正极的导电性及极性材料抑制穿梭效应，如添加大量的导电碳材料、极性金属化合物等，然而外加的正极硫宿主材料或多或少的减少了正极的能量密度。

因此，针对上述问题，如何进一步提高锂硫电池的性能仍需要进一步研究。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双金属磷化物镶嵌的碳中空纳米笼及其制备方法和应用，本发明通过在镍钴普鲁士蓝衍生物的外层包覆聚多巴胺层，在高温下生成中空的镍钴双金属颗粒镶嵌的碳中空纳米笼，再经过一步磷化的方法制备了镍钴双金属的磷化物镶嵌的碳中空纳米笼，并首次将其涂覆在聚丙烯隔膜上(Celgard2500)，得到多功能隔膜，应用于锂硫电池体系，以增强其综合性能。

本发明是这样实现的。

本发明的第一个目的是提供一种双金属磷化物镶嵌的碳中空纳米笼的制备方法，包括以下步骤：

S1、聚多巴胺包裹的镍钴普鲁士蓝复合物(Ni-Co-PBA@PDA)的制备