[发明专利]一种锰掺杂三硫化钽还原氧化石墨烯复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种锰掺杂三硫化钽还原氧化石墨烯复合材料的制备方法及其应用，该方法包括以下步骤：（1）将氧化石墨烯超声分散于水中，制得表面带负电荷的氧化石墨烯溶液；（2）将硫代乙酰胺、氯化钽和四水合醋酸锰溶于去离子水中，搅拌至完全溶解，然后，向上述溶液中加入氧化石墨烯溶液；之后将混合溶液转移到反应釜中，在250‑300℃下，反应24小时，然后用去离子水浸洗5‑6次，最后‑56℃下冷冻干燥24h后得到Mn‑TaSsubgt;3/subgt;@rGO复合材料。利用本发明制备的Mn‑TaSsubgt;3/subgt;@rGO复合材料制成一种新型功能修饰隔膜，可以阻碍多硫化物迁移，同时能够加速锂离子转移，降低穿梭效应，有效地增加表面活性位点，提高对多硫化物的化学吸附能力，从而提高锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明属于纳米材料科学与二次电源技术领域，特别是一种新型的锰掺杂三硫化钽还原氧化石墨烯（Mn-TaS₃@rGO）复合材料的水热方法制备与功能修饰隔膜在高载硫锂硫电池中的应用。

背景技术

随着社会的进步与发展，锂离子电池的工艺日益完善，其实际最大比容量已接近理论比容量，但锂离子电池已经无法满足人们对于更高比容量以及能量密度的需求。为了应对日益增长的能源需求以及更有效地存储和运输电能，许多科研工作者一直致力于设计具有高能量密度的锂硫电池。然而，锂硫电池存在严重的“穿梭效应”以及硫和硫化锂的导电率低、充放电（硫转化）过程中体积膨胀等问题，使锂硫电池尚未实现商业应用。为了解决上述问题，同时提高锂硫电池的电化学性能，主要解决方法包括制备结构新颖的硫阴极宿主材料，功能修饰隔膜以及新型电解液等。

现今已经生产的功能修饰隔膜包括碳材料（如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯），金属有机框架材料和极性材料（如金属硫化物，金属氧化物，金属硼化物和过渡金属双卤化物（TMDs））。然而，如何提高对多硫化物催化吸附能力仍然是锂硫电池的一大问题。除了过渡金属双卤化物外，过渡金属三硫化物（TMTs）（如NbS₃、NbSe₃、TiS₃和TaS₃）作为隔膜材料被认为是提高锂硫电池性能的理想选择。其中TaS₃是一种独特的TMTs材料，具有层状晶体结构、高导电性、高比表面积、优异的电催化活性和高储能等特点。TaS₃的正交相由S-Ta-S的夹层组成，是具有层状晶体结构的纳米颗粒。虽然TaS₃材料具有导电性，但由于孔表面有限其有效活性位点数量较少，其电催化活性受到抑制，这就影响了其在锂硫电池中的实际应用。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供了一种新型功能修饰隔膜，可以阻碍多硫化物迁移，同时能够加速锂离子转移，降低穿梭效应，有效地增加表面活性位点，提高对多硫化物的化学吸附能力，从而提高锂硫电池的电化学性能。

本发明还提供了一种新型功能修饰隔膜的制备方法，本发明首次采用一步水热法，以还原氧化石墨烯（rGO）作为基体材料，制备锰掺杂三硫化钽还原氧化石墨烯（Mn-TaS₃@rGO）复合材料，并将其作为新型TMT修饰隔膜（Mn-TaS₃@rGO/PP）应用于高性能锂硫电池。

Mn-TaS₃@rGO/PP表现出对多硫化物优异的吸附能力，Mn掺杂TaS₃增加了隔膜的活性位点。此外，还原氧化石墨烯的电导率可以通过还原氧化石墨烯官能团的化学相互作用提高锂硫电池的总电导率以及增强对多硫化物的吸附。因此，具有大量的活性位点、优异的吸附能力和优良的性能的Mn-TaS₃@rGO/PP，可以用来提高锂硫电池的电化学性能。除了上述优点外，即使在高载硫量下Mn-TaS₃@rGO/PP也具有良好的的导电性和较强的抗自放电性能，并且对多硫化物具有优异的吸附能力，表现出优异的充放电容量与循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：