[发明专利]一种金属硫电池夹层材料的制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种金属硫电池夹层材料的制备方法与应用。制备方法为：将无机钨盐、造孔模板剂、聚合物及助剂均匀溶解在溶剂中制成纺丝液，利用静电纺丝技术获得WO₃纳米纤维；加热去除模板剂后再伴随硫化剂进行煅烧，得到金属硫电池夹层材料。本发明中制备的有序介孔WO₃/WS₂异质结有序介孔纳米纤维具有超大的比表面积，因而利用率高，吸附位点和反应位点丰富，并且利于电解液传质。同时，WO₃可增强隔膜对多硫化物的化学吸附，而WS₂可催化促进可溶多硫化物的电化学转换，进而抑制多硫化物在两极间的穿梭，提高活性物质利用率，有效提高金属硫电池的比容量以及循环稳定性。本发明方法工艺简单，成本低廉，易于推广。

技术领域

本发明涉及一种用作金属硫电池夹层的三氧化钨(WO₃)/二硫化钨(WS₂)异质结有序介孔纳米纤维的制备方法和一种金属硫电池，属于电池技术领域。

背景技术

近年来，为减少环境污染提高可再生能源利用率，人类对二次储能体系提出了更高的要求。金属硫电池作为一种新型化学电源，由于单质硫比容量极高(理论比能量为760Wh/kg，实际已大于150Wh/kg)、储量丰富、价格低廉和环境友好等优势，自问世以来受到广泛关注和研究，具有广阔的应用前景。但是，目前金属硫电池实际可达到能量密度远远低于其理论值，并且循环寿命差，倍率性能低，这些都严重阻碍了金属硫电池的产业化进程。究其原因主要是由于在金属硫电池体系中，充放电中间产物多硫化锂易溶解于醚类电解液中，在正负两极扩散、穿梭造成“穿梭效应”，从而导致活性物质的不可逆损失和负极钝化，严重影响电池性能。此外，放电时硫的不完全还原也大幅降低了电池比容量。

目前，关于金属硫电池体系的大多研究使用聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)为主的聚烯烃类隔膜，该类隔膜具有良好的电化学稳定性，较高的拉伸强度以及较高的孔隙率等诸多优势。然而，该类材料对可溶多硫化物的吸附及阻隔作用非常有限，随着充放电循环次数的增加，多硫化物的“穿梭效应”随之严重，使得电池的容量急剧衰减，循环稳定性不断恶化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种金属硫电池夹层材料，其在化学吸附可溶多硫化物的同时亦可催化促进其向固态硫/放电产物的转换，缓解金属硫电池的“穿梭效应”。

为了解决上述问题，本发明提供了一种金属硫电池夹层材料的制备方法：将无机钨盐、造孔模板剂、聚合物及助剂均匀溶解在溶剂中制成纺丝液，利用静电纺丝技术获得WO₃纳米纤维；加热去除模板剂后再伴随硫化剂进行煅烧，得到金属硫电池夹层材料，即一种WO₃/WS₂异质结有序介孔纳米纤维。

优选地，所述的无机钨盐为氯化钨、硝酸钨、醋酸钨中的任意一种或几种；造孔模板剂为三嵌段共聚物、两嵌段共聚物中的任意一种或几种；聚合物为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中的任意一种或几种；助剂为盐酸、醋酸、乙酰丙酮中的任意一种或几种；溶剂为乙醇、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃、二甲基亚砜中的任意一种或几种。

优选地，所述静电纺丝的工艺参数具体为：温度20-40℃，电压5-25kV，纺丝液流速0.1-5mL/h，样品接收距离2-30cm。

优选地，所述WO₃纳米纤维为介观结构。

优选地，所述模板剂去除时所用的气氛为氮气、氩气、空气中的任意一种；所述加热的温度为200-500℃，时间为0.5-5h。

优选地，所述的硫化剂为硫、硫脲、硫化氢中的任意一种或几种；所述煅烧的温度为200-800℃；时间为0.5-5h。

本发明还提供了一种上述金属硫电池夹层材料的制备方法制备的金属硫电池夹层材料。