[发明专利]具有核壳结构的柔性自支撑锂硫电池正极薄膜及制备方法

说明书

本发明涉及具有核壳结构的柔性自支撑锂硫电池正极薄膜及制备方法。该柔性自支撑锂硫电池正极薄膜是由零维微米硫球、一维金属相二硫化钼改性的聚吡咯纳米管、一维单壁碳纳米管和二维单层MXene片层复合而成的多维纳米复合材料，其中金属相二硫化钼改性的聚吡咯纳米管为自支撑骨架同时化学吸附多硫化物，单层MXene片层包裹在微米硫球上物理限制多硫化物。本发明通过将金属相二硫化钼片层改性后的聚吡咯纳米管与核壳结构的微米硫球共混后在MXene薄膜上抽滤制得，其具有未添加任何传统胶黏剂的柔性自支撑结构。本发明制备的锂硫电池具有比容量高，循环寿命长，载体利用率高等综合优势。

技术领域

本发明属于电池技术领域，尤其是涉及一种具有核壳结构的柔性自支撑锂硫电池正极薄膜及制备方法。

背景技术

锂硫电池是近年来研究较为热门的一种高性能可逆电化学储能器件。2009年，L.F.Nazar等人探索了纳米多孔材料在碳硫复合正极的巨大应用潜力，将锂硫电池的电化学性能提升到一个新的高度。传统的硫碳复合正极在制备过程中需要掺杂入无电化学活性的胶黏剂，降低了活性物质的利用效率，同时倒浆法制备工艺也较为复杂，制备出的正极片不具备一定的柔性。

然而鲜有研究人员研究不掺杂胶黏剂的高性能柔性自支撑正极。目前自支撑正极的制备方法主要包括静电纺丝，真空抽滤和旋涂等制膜方法，而真空抽滤是操作最为简便迅捷的一种方法。研究显示，柔性材料的导电性普遍较差。在真空抽滤成膜的研究思路中，较难实现在自支撑正极中实现良好导电性的同时保持一定的柔性，这对自支撑正极中复合材料的选择和纳米结构的设计有较高的要求。

因此采用有效方法实现无胶黏剂的高性能柔性自支撑正极，对于其在电化学储能领域的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有核壳结构的柔性自支撑锂硫电池正极薄膜及制备方法。

本发明在无胶黏剂的自支撑体系中，基于双重抑制机理减缓多硫化物的穿梭效应，从而提升锂硫电池的循环性能，同时还保证了正极片的柔性，拓宽了极片应用的领域。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种具有核壳结构的柔性自支撑锂硫电池正极薄膜，该柔性自支撑锂硫电池正极薄膜是由零维微米硫球、一维金属相二硫化钼改性的聚吡咯纳米管、一维单壁碳纳米管和二维单层MXene片层复合而成的多维纳米复合材料，其中金属相二硫化钼改性的聚吡咯纳米管为自支撑骨架同时化学吸附多硫化物，单层MXene片层包裹在微米硫球上物理限制多硫化物。

在本发明的一个实施方式中，进一步的，所述零维微米硫球选自实心微米硫球、中空微米硫球或多孔微米硫球。

本发明进一步提供具有核壳结构的柔性自支撑锂硫电池正极薄膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备单层MXene分散液：将Ti₃AlC₂ MAX相在氢氟酸中刻蚀，洗涤至中性后，超声、离心后收集上层黑色清液，得到单层MXene分散液；

(2)制备金属相二硫化钼改性聚吡咯管：取聚吡咯纳米管与十六烷基三甲基溴化铵CTAB在水中充分搅拌，再加入钼酸钠和L-半胱氨酸，最后进行水热反应，然后用去离子水洗涤数次，干燥后收集，得到金属相二硫化钼改性的聚吡咯纳米管；

(3)制备柔性自支撑锂硫电池正极薄膜：取单层MXene分散液加入到微米硫球溶液中，搅拌均匀后，再往溶液中加入金属相二硫化钼改性聚吡咯管，均匀分散后进行真空抽滤，冷冻干燥，最终获得柔性自支撑锂硫电池正极薄膜。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，超声的条件为：在100～400W功率下超声60～300min。

在本发明的一个实施方式中，步骤(1)中，离心的条件为：在3500转速下离心1h。