[发明专利]用于改善锂金属电池性能的隔膜功能材料及制备和应用

说明书

本发明公开了一种用于改善锂金属电池性能的隔膜功能材料及制备方法和应用，包括步骤：(1)以硝酸铁为原料制备氧化铁；(2)将氧化石墨烯粉末超声分散到水中；(3)将氧化铁称量加入到含有氯化钠、聚二烯丙基二甲基氯化铵、三(羟甲基)氨基甲烷的水溶液中，搅拌，清洗，干燥；(4)将步骤3得到的产物称量加入到步骤2的分散液中，搅拌，洗涤，干燥；(5)将步骤4得到的产物在氨气气氛下氨化处理，得到用于改善锂金属电池性能的隔膜功能材料。本发明方法原料环保、条件温和、可规模化生产，制备的氮掺杂石墨烯包裹氮化铁具有核壳结构及高的机械强度和热稳定性，作为隔膜功能层可显著改善锂金属电池的电化学及热稳定性能。

技术领域

本发明属于新型核壳结构纳米材料的制备和在电池方面的应用领域，特别是一种氮掺杂石墨烯包裹氮化铁核壳结构粉末材料及制备方法的应用。

背景技术

随着便携式通讯设备和电动设备领域的快速发展，研究和开发高能量、高功率密度的可循环充放电电池已成为解决能源储存问题的关键技术之一。基于此，锂金属电池因其锂负极具有超高的理论比容量、超低还原电位和轻的密度等优点吸引了广大研究者的兴趣，被认为是具有重大潜力的下一代可循环电池。但是，锂金属电池在重复的充放电循环中，锂金属负极不受控制的锂枝晶生长、与有机电解液之间的副反应以及充放电过程中的体积膨胀等问题仍然是科学界面临的巨大挑战。这些问题严重影响了锂金属电池在实际中的应用和发展。因此，如何解决、改善上述问题，尤其是抑制或者避免锂枝晶的生长，提高锂金属电池的安全性，成为研究中要解决的技术问题。在过去的几十年里，人们为解决与锂金属负极相关的问题，对电极、电解质和界面材料的组成和结构等性质进行了大量的设计和优化研究。隔膜作为电池的重要组成部分，从隔膜的角度来解决锂枝晶生长问题的研究较少。因此设计一种高机械强度和离子导性、热稳定性的功能化隔膜对提高锂金属电池的安全使用具有非常重要的意义。

为了解决和克服这些问题，本发明提出了一种简单高效制备核壳结构的氮掺杂石墨烯包裹氮化铁的方法并将合成的功能材料应用于锂金属电池隔膜的改性。利用电荷吸附的层组装方式构筑了核壳结构，通过调节氨化温度和时间，制备出核壳结构的氮掺杂石墨烯包裹氮化铁。该材料特殊的结构和组成赋予了材料独特的优异性：外壳的氮掺杂石墨烯作为骨架保证了结构的稳定性，同时为离子的传递提供了通道，内核的氮化铁因其强的极性官能团为锂离子的均匀沉积提供了大量的活性位点，减小了施加在负极的局部电流密度，生成了稳定固态电解质膜，从而抑制了锂枝晶的生长和缓解了副反应，提高了电化学稳定性，活性物质的利用率以及比容量。本发明所述方法实验过程简单、重复性好、成本低廉，为核壳结构的过渡金属氮化物复合材料在锂金属电池中的应用提供了可行的制备方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的问题，本发明为克服上述技术问题提供了一种简单、快速、高效、易于大规模化制备并应用于锂金属电池隔膜改性的核壳结构氮掺杂石墨烯包裹氮化铁功能材料的方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种用于改善锂金属电池性能的隔膜功能材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：以6～8g硝酸铁原料，煅烧得到氧化铁前驱体；

步骤2：将0.1～0.4g氧化石墨烯粉末通过细胞粉碎机分散到40毫升去离子水中，持续搅拌得到石墨烯分散液；

步骤3：将步骤1所得产物称量1～2g加入到含有0.1～0.3g氯化钠、1.5～2.5g聚二烯丙基二甲基氯化铵、0.2～0.6g三(羟甲基)氨基甲烷的50毫升水溶液中，连续搅拌一定时间后将其过滤，清洗，干燥，得到预静电处理的氧化铁前驱体；

步骤4：将步骤3得到的产物称量1～2g加入到步骤2得到的分散液中，连续搅拌，洗涤，干燥，得到前驱体粉末；

步骤5：将步骤4得到的产物称量0.1～0.5g置于瓷舟中，在氨气气氛下使用管式炉进行高温氨化处理，得到用于改善锂金属电池性能的隔膜功能材料。