金属酞菁镍改性隔膜在锂硫电池中的应用

    技术2024-12-25  38


    本发明涉及电池隔膜,更具体地说,它涉及金属酞菁镍改性隔膜在锂硫电池中的应用。


    背景技术:

    1、锂硫电池具有高达2600wh/kg的理论能量密度,被认为是极具前景的高能二次电池之一。在li-s电池的电化学反应过程中,涉及到可溶性的多硫化锂(lipss)和不溶性的硫化锂(li2s/li2s2)的复杂相变行为,可溶性lipss中间产物倾向于在正极和负极之间穿梭,导致剧烈的相迁移,从而对库仑效率和电池容量造成不可逆的损失。由于硫的导电性低和可溶性多硫化物的不良反应(称为穿梭效应),li-s电池的广泛应用受到了动力学缓慢和容量快速衰减的限制;隔膜作为与两个电极相互作用的关键部件,在影响整体性能方面起着至关重要的作用。

    2、隔膜是电池的关键组件之一,确保了阴极和阳极之间的电隔离,防止电池短路,并通过其内部孔隙实现离子的传输。目前,商用电池中常用的隔膜包括单层聚丙烯隔膜(pp)、单层聚乙烯隔膜(pe)和三层pp/pe/pp复合隔膜,然而,这些隔膜存在孔隙大、表面疏水且完全不导电的缺陷,不适用于长循环的li-s电池;多硫化物可以通过高孔隙率的隔膜顺利迁移到锂阳极,并在锂金属阳极上进一步还原成不溶性的li2s/li2s2,导致活性物质的损失和锂金属阳极的钝化;此外,由于锂的不均匀溶解和沉积形成的锂枝晶可能引发内部短路,严重影响电池性能。

    3、因此,本发明旨在提供金属酞菁镍改性隔膜在锂硫电池中的应用,用以解决上述问题。


    技术实现思路

    1、本发明的目的是提供金属酞菁镍改性隔膜在锂硫电池中的应用,其中具有特殊m-n4结构的过渡金属酞菁(mpc)分子被用作lipss转化的电化学催化剂,金属酞菁(mpcs)具有独特的二维和单分子结构,拥有高活性的金属-n4中心,通过相互作用轻松加载到导电碳载体上,从而加速li-s电池中lipss的电化学转化反应;同时,金属酞菁结构具有可调节性,通过适当的结构修饰,能够有效的优化其催化性能;此外,外围取代基在mpc的催化化学中起着关键作用,选择适当的取代基不仅可以获得所需的溶解度,还能够通过改变取代基的吸电子或给电子特性来调整催化性能。

    2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:金属酞菁镍改性隔膜的制备方法,包括以下步骤:

    3、s1、通过材料合成金属酞菁镍;

    4、s2、在预设材料比例下,取定量的金属酞菁镍和石墨烯,并分别分散在dmf中,不断搅拌得到混合溶液;

    5、s3、在预设时间下,对混合溶液进行超声,超声结束后继续搅拌对应时间;

    6、s4、将搅拌结束后的混合溶液真空抽滤到隔膜上,得到金属酞菁镍改性隔膜。

    7、本发明进一步设置为:所述金属酞菁镍分别包括四硝基酞菁镍、四氨基酞菁镍和酞菁镍。

    8、本发明进一步设置为:所述四硝基酞菁镍的制备方法包括:

    9、取定量的4-硝基邻苯二甲酸酐、钼酸铵、尿素和氯化镍在玛瑙研钵中研磨混合均匀,加入硝基苯,在磁搅拌下加热回流,反应结束后用乙醇洗涤除去硝基苯,然后用稀盐酸和氢氧化钠分别对产物进行纯化,酸碱洗涤交替重复两次,最后用纯净水洗涤至中性,干燥得到四硝基酞菁镍。

    10、本发明进一步设置为:所述四氨基酞菁镍的制备方法包括:

    11、取定量的四硝基酞菁镍置于纯净水中,随后向该溶液加入九水合硫化钠,并在预设条件下搅拌,反应结束后通过离心分离收集固体产物,然后用稀盐酸和氢氧化钠分别对产物进行纯化,酸碱洗涤交替重复两次,最后用纯净水洗涤至中性,干燥得到四氨基酞菁镍。

    12、本发明进一步设置为:所述酞菁镍的制备方法包括:

    13、取定量的邻苯二甲酸酐、氯化镍、尿素和二钼酸铵置于玛瑙研钵中研磨,充分混合均匀,将混合好的粉末置于反应釜中,放进充满氩气手套箱中进行封装,放入烘箱中进行固相反应,反应结束后,用稀盐酸和氢氧化钠分别对固体产物进行纯化,酸碱洗涤交替重复两次,最后用纯净水洗涤至中性,干燥得到酞菁镍。

    14、本发明还提供了金属酞菁镍改性隔膜在锂硫电池中的应用。

    15、综上所述,本发明具有以下有益效果:

    16、1、本发明通过在阴极侧隔膜上引入具有高活性金属-n4中心的金属酞菁,可以提升隔膜的选择性,其中金属酞菁能够与多硫化锂(lipss)中间产物发生相互作用,能够抑制这些中间产物通过隔膜向锂阳极的迁移,这种选择性阻隔作用能够有效的减少多硫化物穿梭效应,降低活性物质的损失,提高电池的库仑效率和循环寿命;

    17、2、本发明通过在阴极侧隔膜上引入金属酞菁,能够有效的增强隔膜的导电性,金属酞菁具有良好的导电性能,当其负载在隔膜上时,可以提升隔膜的整体导电性,有助于改善锂硫电池中硫正极的电化学反应动力学,加快反应速率,提高电池的功率密度;

    18、3、本发明通过在阴极侧隔膜上引入金属酞菁,能够有效的促进电化学反应,金属酞菁具有高活性的金属-n4中心,可以作为电化学催化剂,促进lipss的转化反应,通过在隔膜上引入金属酞菁,使得在电池充放电过程中加速硫和lipss之间的氧化还原反应,提升电池的整体性能;

    19、4、本发明通过在阴极侧隔膜上引入金属酞菁,能够高效的提升隔膜的机械稳定性,金属酞菁的二维和单分子结构可以增强隔膜的机械强度和稳定性,通过在隔膜上引入金属酞菁,可以提高隔膜的耐用性,减少由于锂枝晶生长引起的隔膜刺穿和内部短路风险;

    20、5、本发明通过在阴极侧隔膜上引入金属酞菁,能够实现定制化功能优化,金属酞菁的结构可以通过分子修饰进行优化,调整其电子和化学特性,通过选择合适的取代基,可以进一步优化金属酞菁在隔膜上的性能,使其更好地满足锂硫电池的具体应用需求。



    技术特征:

    1.金属酞菁镍改性隔膜的制备方法,其特征是:包括以下步骤:

    2.根据权利要求1所述的金属酞菁镍改性隔膜的制备方法,其特征是:所述金属酞菁镍分别包括四硝基酞菁镍、四氨基酞菁镍和酞菁镍。

    3.根据权利要求2所述的金属酞菁镍改性隔膜的制备方法,其特征是:所述四硝基酞菁镍的制备方法包括:

    4.根据权利要求2所述的金属酞菁镍改性隔膜的制备方法,其特征是:所述四氨基酞菁镍的制备方法包括:

    5.根据权利要求2所述的金属酞菁镍改性隔膜的制备方法,其特征是:所述酞菁镍的制备方法包括:

    6.金属酞菁镍改性隔膜在锂硫电池中的应用。


    技术总结
    本发明公开了金属酞菁镍改性隔膜在锂硫电池中的应用,涉及电池隔膜技术领域,其技术方案要点是:包括在预设材料比例下,取定量的金属酞菁镍和石墨烯,并分别分散在DMF中,不断搅拌得到混合溶液;在预设时间下,对混合溶液进行超声,超声结束后继续搅拌对应时间;将搅拌结束后的混合溶液真空抽滤到隔膜上,得到金属酞菁镍改性隔膜。本发明采用具有特殊M‑N4结构的过渡金属酞菁分子用作LiPSs转化的电化学催化剂,能够加速Li‑S电池中LiPSs的电化学转化反应,通过修饰金属酞菁结构,还能够优化其催化性能;此外,选择适当的取代基不仅可以获得所需的溶解度,还能够通过改变取代基的吸电子或给电子特性来调整催化性能。

    技术研发人员:李欢,缪观莲,何江慧,赵景泰,饶光辉,赵明辉
    受保护的技术使用者:桂林电子科技大学
    技术研发日:
    技术公布日:2024/10/24
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