[发明专利]一种表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂硫电池技术领域，尤其涉及一种表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍及其制备方法和应用。发明提供的制备方法，包括以下步骤：将尿素、氧化剂和水混合，得到尿素溶液；将泡沫镍置于所述尿素溶液中，依次进行水热反应、退火处理和硫化反应，得到表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍；所述异质结纳米片层中的异质结纳米片为NiO和Ni₃S₂的异质结纳米片，所述NiO和Ni₃S₂的异质结纳米片的厚度为1.7～3.2nm。利用本发明所述的制备方法制备得到的表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍表面的异质结纳米片的厚度为1.7～3.2nm，具有更好的活性位点，且与泡沫镍的结合性强。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，尤其涉及一种表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍及其制备方法和应用。

背景技术

近几年，便携式充电设备、电动汽车以及智慧电网的不断发展对能源市场提出了新的要求，高能量密度存储的需求显著增加。锂硫电池通过将正极的硫与负极的锂金属耦合实现了2567Wh/kg的超高能量密度，被认为是最有前景的下一代能源存储系统。然而，除了硫自身的绝缘性能以外，在锂硫电池循环过程中的“穿梭效应”导致在大载量下电池的循环性能衰减，严重制约其实际应用。这其中的根本原因在于缓慢的多硫化锂转化动力学，导致多硫化锂在电池循环过程中的大量累计，从而加剧了“穿梭效应”。主要原因在于：锂硫电池的放电过程是硫的还原过程，例如，S₈→Li₂S₈→Li₂S₄→Li₂S₂/Li₂S等多步还原反应。其中液相Li₂S₄→固相Li₂S₂/Li₂S这一步反应所需的活化能最高，因此为整个放电过程的决速步。但如果没有催化剂的帮助，将会造成大量的液相Li₂S₄累积。过多的累积会导致液相Li₂S₄从电池正极脱出，溶解在电解液中，甚至通过电池隔膜穿梭到电池负极造成不可逆的容量损失(穿梭效应)。

为了解决上述问题，催化剂的设计及其合理的使用是关键。过渡金属异质结由于其出色的电催化性能以及良好的导电性能引起了科研人员的广泛关注。通过调控异质结的结构和形貌以实现锂硫电池高载量下稳定的循环成为了研究的热点。然而由于缺乏有效的合成超薄异质结的手段，通常导致合成的异质结厚度较厚，无法暴露更多的活性位点来进行有效的催化。同时，目前常规的制备方法中通常是通过外加镍源的方法在泡沫镍上生长纳米片(Facile synthesis of a NiO/NiS hybrid and its use as an efficientelectrode material for supercapacitor applications或Cliff-like NiO/Ni₃S₂Directly Grown on Ni Foam for Battery-type Electrode with High Area Capacityand Long Cycle Stability)，导致异质结纳米片与泡沫镍的结合性较差容易脱落，进而无法稳定的催化多硫锂转化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍及其制备方法和应用，利用本发明所述的制备方法制备得到的表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍表面的异质结纳米片的厚度为1.7～3.2nm，具有更好的活性位点，且与泡沫镍的结合性强。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种表面生长有异质结纳米片层的泡沫镍的制备方法，包括以下步骤：

将尿素、氧化剂和水混合，得到尿素溶液；

将泡沫镍置于所述尿素溶液中，进行水热反应，得到表面生长有氢氧化镍的泡沫镍；