[发明专利]一种超晶格材料及其制备方法以及在锂硫电池隔膜改性中的应用

说明书

本发明公开了一种超晶格材料及其制备方法以及在锂硫电池隔膜改性中的应用，所述超晶格材料为Ti_0.83Co_0.1O₂/rGO，它是采用厚度为1‑2nm的Ti_0.83Co_0.1O₂纳米片与PDDA‑rGO液相自组装而成；本发明的超晶格材料界面丰富，拥有80‑100m²/g的高比表面积，使多硫化物能与活性位点充分接触，极大地加快了多硫化物的氧化还原反应，有利于提升LSBs的长循环稳定性和倍率性能；本发明的超晶格材料应用于改性锂硫电池隔膜中，仅以0.079mg/cm²的超低面载量就能改善锂硫电池性能，使其在能源存储、电催化等领域中具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及功能材料技术领域，具体是一种超晶格材料及其制备方法以及在锂硫电池隔膜改性中的应用。

背景技术

随着生活水平的提高，对便携式电子设备、电动汽车和大型储能设备不断增长的需求，引起了人们对具有高能量密度和长期可循环性的电化学储能技术的极大兴趣。目前，使用插层型电极材料的锂离子电池已达到其理论能量密度极限，无法满足这些要求。在这种情况下，基于多电子转换反应(S₈+16Li⁺+16e^-→8Li₂S)的锂硫电池(LSBs)，因其高理论能量密度(2600Wh/kg)和比容量(1675mAh/g)而被认为是最有希望的候选电池之一。此外，因为天然硫(S)储量丰富且无毒，同时成本低，使得LSBs具有很强的竞争力。然而，低硫利用率、缓慢的氧化还原反应动力学、快速容量衰减和低库仑效率仍然是LSBs商业应用的关键挑战。这些问题主要由以下几方面造成：1)S及其最终放电产物(Li₂S)固有导电性较差；2)锂化、脱锂时S正极超过80％的体积变化；3)中间体多硫化锂(LiPS)的穿梭。

Co²⁺的引入造成Ti_0.83Co_0.1O₂界面处的电荷转移并引起能带弯曲，由于rGO相对于标准氢电极的费米能级趋近于0eV，导致电子在rGO和Ti_0.83Co_0.1O₂之间流动，直到它们的功函数达到平衡，因此提高了Ti_0.83Co_0.1O₂的给电子能力，从而提高了电催化活性，具有广阔的应用前景。例如文献“The role of titanium-deficient anatase TiO₂ interlayers inboosting lithium-sulfur battery performance:polysulfide trapping,catalysisand enhanced lithium ion transport.(Nanoscale,2020,12,4645-4654)”制备了带有钛缺陷的TiO₂(TDAT)并用于LSBs的隔膜改性，但是由于没有杂原子掺杂，单一的阳离子缺陷材料具有的对多硫化物催化转化的能力不足，不能充分抑制穿梭效应对LSBs性能的破坏。文献“Oxygen-deficient titanium dioxide supported cobalt nano-dots asefficient cathode material for lithium-sulfur batteries.(Journal of EnergyChemistry,2020,48,390-397)”开发了带有Co纳米点的海胆状TiO₂并用作LSBs的硫基体材料，但是海胆状结构没有超晶格结构丰富的比表面积，对多硫化物的吸附位点不足，对LSBs的性能提升难以达到理想的效果。