一种应用于锂硫电池正极的纳米材料及其制备方法与流程

本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种应用于锂硫电池正极的纳米材料及其制备方法。

背景技术：

便携式电子设备和电动汽车的发展需要高效电能存储系统，锂硫电池因其2600wh·kg^-1的高能量密度成为最有前途的储能系统。硫作为一种很有前途的正极材料，其理论比容量为1672mah·g^-1，此外硫具有对环境友好，成本低等优点。然而锂硫电池的发展面临着以下问题：硫的电导率低；多硫化物在电解质中溶解和放电过程会出现硫体积膨胀的问题。这些问题导致锂硫电池循环寿命差、比容量低和能源效率低。

为了克服解决上述问题，提高锂硫电池的容量保持率，目前开发研究正极材料，如功能化碳材料、石墨烯氧化物以及高表面积和孔隙度的导电聚合物等，然而效果并未达到理想预期。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种应用于锂硫电池正极的纳米材料及其制备方法，该纳米材料的粒径小，电导率高，可以有效吸附多硫化锂，抑制其穿梭效应。在制备三元金属氮化物纳米材料中所采用的方法简便，对所制备材料的粒径及成分可控、具有普适性。

本发明的技术方案为：一种应用于锂硫电池正极的纳米材料为三元金属氮化物纳米粒子。

所述三元金属氮化物纳米粒子的粒径小于10nm。

所述纳米材料的制备方法，首先以二氧化硅纳米粒子为模板合成具有球形孔的介孔石墨化氮化碳；然后再以所得介孔石墨化氮化碳为反应模板，加入至金属前驱体a和b的混合溶液中制备得到三元金属氮化物纳米粒子，其中金属前驱体a为alcl3或ticl4，金属前驱体b为gacl3或vocl3。

所述纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备介孔石墨化氮化碳：首先在ch2n2中加入二氧化硅纳米粒子水溶液，然后在搅拌条件下加热至90℃，待水蒸发后得到白色固体，将所得白色固体加热至550℃，保温4h；最后采用nh4hf2溶液除去二氧化硅纳米粒子，得到介孔石墨化氮化碳；

(2)制备三元金属氮化物纳米粒子a-b-n：首先采用乙醇溶解金属前驱体a和金属前驱体b，得到透明的混合溶液，其中金属前驱体a为alcl3或ticl4，金属前驱体b为gacl3或vocl3；然后在该混合溶液中加入步骤(1)所得的介孔石墨化氮化碳，超声处理10～20分钟，减压放置；再以乙醇为吸附剂，采用吸滤法，收集浸润的介孔粉末；最后在室温条件下于过滤器上干燥，得到粉末，在氮气流动下将粉末按升温速率3～4℃/min加热至750～850℃，并保持3小时；热处理后得到三元金属氮化物纳米粒子a-b-n。

所述步骤(1)中ch2n2用量为1g；二氧化硅纳米粒子水溶液的质量分数为40％，用量为2.5g；nh4hf2溶液的浓度为4mol/l；所述步骤(2)中溶解金属前驱体a和金属前驱体b的乙醇用量为1.5～2.5g，步骤(1)所得介孔石墨化氮化碳的用量为0.5～1g，吸附剂乙醇用量为1.5～2.5ml。

本发明的有益效果为：本发明所述应用于锂硫电池正极的纳米材料为三元金属氮化物纳米粒子，三元金属氮化物纳米粒子与硫相互作用，吸附的高阶多硫化物通过该三元金属氮化物纳米粒子的电极材料转移电子而还原为低阶多硫化物，进而有效地吸附多硫化锂，抑制其穿梭效应，更好地提高了锂硫电池的电化学性能。该三元金属氮化物纳米粒子的粒径小于10nm，电导率高；分散性较窄；成分可控。

本发明使用介孔石墨化氮化碳作为反应模板，采用“反应性硬模板”方法，即模板作为反应物，制备得到粒径小、分散性较窄、成分可控的三元金属氮化物纳米粒子，该方法简便可控，具有普适性。

附图说明

图1为实施例1所制得的algan用于锂硫电池正极时电池的放电比容量循环图。

图2为实施例1所制得的algan用于锂硫电池正极时电池的倍率性能图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

所述应用于锂硫电池正极的纳米材料为铝/镓氮化物纳米粒子。该纳米粒子的粒径小于10nm。

所述纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备介孔石墨化氮化碳：首先在1gch2n2中加入质量分数为40％的二氧化硅纳米粒子水溶液2.5g，然后在剧烈搅拌下加热至90℃，以确保水的缓慢蒸发。待水蒸发后得到白色固体，将所得白色固体置于封闭的陶瓷坩埚中加热至550℃，保温4h；最后采用浓度为4mol/l的nh4hf2溶液除去二氧化硅纳米粒子，得到介孔石墨化氮化碳(mpg-c3n4)；

(2)制备三元金属氮化物纳米粒子al-ga-n：首先采用2.0g乙醇溶解金属前驱体alcl3和金属前驱体gacl3，得到透明的混合溶液；然后在该混合溶液中加入0.5g步骤(1)所得的介孔石墨化氮化碳，超声处理10分钟，减压放置，使孔隙中的空气释放出来，从而实现溶液在孔隙中的良好渗透；再以2ml的乙醇为吸附剂，采用吸滤法，收集浸润的介孔粉末，最后在室温条件下于过滤器上干燥，得到粉末，在氮气流动下将粉末加热4小时至800℃，并保持3小时；热处理后得到algan粉末，该粉末颜色随着铝的量增加而由浅棕色到灰色。

实施例2

所述应用于锂硫电池正极的纳米材料为钛/钒氮化物纳米粒子。该纳米粒子的粒径小于10nm。

所述纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备介孔石墨化氮化碳：首先在1gch2n2中加入质量分数为40％的二氧化硅纳米粒子水溶液2.5g，然后在剧烈搅拌下加热至90℃，以确保水的缓慢蒸发。待水蒸发后得到白色固体，将所得白色固体置于封闭的陶瓷坩埚中加热至550℃，保温4h；最后采用浓度为4mol/l的nh4hf2溶液除去二氧化硅纳米粒子，得到介孔石墨化氮化碳(mpg-c3n4)；

(2)制备三元金属氮化物纳米粒子ti-v-n：首先采用2.0g乙醇溶解金属前驱体ticl4和金属前驱体vocl3，得到透明的混合溶液；然后在该混合溶液中加入0.5g步骤(1)所得的介孔石墨化氮化碳，超声处理10分钟，减压放置，使孔隙中的空气释放出来，从而实现溶液在孔隙中的良好渗透；再以2ml的乙醇为吸附剂，采用吸滤法，收集浸润的介孔粉末，最后在室温条件下于过滤器上干燥，得到粉末，在氮气流动下将粉末加热4小时至800℃，并保持3小时；热处理后得到tivn的黑色粉末。

技术特征：

1.一种应用于锂硫电池正极的纳米材料，其特征在于，该纳米材料为三元金属氮化物纳米粒子。

2.根据权利要求1所述应用于锂硫电池正极的纳米材料，其特征在于，所述三元金属氮化物纳米粒子的粒径小于10nm。

3.一种权利要求1所述纳米材料的制备方法，其特征在于，首先以二氧化硅纳米粒子为模板合成具有球形孔的介孔石墨化氮化碳；然后再以所得介孔石墨化氮化碳为反应模板，加入至金属前驱体a和b的混合溶液中制备得到三元金属氮化物纳米粒子，其中金属前驱体a为alcl3或ticl4，金属前驱体b为gacl3或vocl3。

4.根据权利要求3所述纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)制备介孔石墨化氮化碳：首先在ch2n2中加入二氧化硅纳米粒子水溶液，然后在搅拌条件下加热至90℃，待水蒸发后得到白色固体，将所得白色固体加热至550℃，保温4h；最后采用nh4hf2溶液除去二氧化硅纳米粒子，得到介孔石墨化氮化碳；

(2)制备三元金属氮化物纳米粒子a-b-n：首先采用乙醇溶解金属前驱体a和金属前驱体b，得到透明的混合溶液，其中金属前驱体a为alcl3或ticl4，金属前驱体b为gacl3或vocl3；然后在该混合溶液中加入步骤(1)所得的介孔石墨化氮化碳，超声处理10～20分钟，减压放置；再以乙醇为吸附剂，采用吸滤法，收集浸润的介孔粉末；最后在室温条件下于过滤器上干燥，得到粉末，在氮气流动下将粉末按升温速率3～4℃/min加热至750～850℃，并保持3小时；热处理后得到三元金属氮化物纳米粒子a-b-n。

5.根据权利要求3所述纳米材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中ch2n2用量为1g；二氧化硅纳米粒子水溶液的质量分数为40％，用量为2.5g；nh4hf2溶液的浓度为4mol/l；所述步骤(2)中溶解金属前驱体a和金属前驱体b的乙醇用量为1.5～2.5g，步骤(1)所得介孔石墨化氮化碳的用量为0.5～1g，吸附剂乙醇用量为1.5～2.5ml。

技术总结
本发明属于锂硫电池的技术领域，具体的涉及一种应用于锂硫电池正极的纳米材料及其制备方法。该纳米材料为三元金属氮化物纳米粒子。该纳米材料的粒径小，电导率高，可以有效吸附多硫化锂，抑制其穿梭效应。在制备三元金属氮化物纳米材料中所采用的方法简便，对所制备材料的粒径及成分可控、具有普适性。

技术研发人员：张永光;筵亚静
受保护的技术使用者：肇庆市华师大光电产业研究院
技术研发日：2020.09.09
技术公布日：2020.12.04