一种金属锡掺杂碳纳米纤维中间层的制备及其在

本发明涉及锂硫电池领域，具体涉及一种金属锡掺杂碳纳米纤维中间层的制备方法和应用。背景技术：1、随着便携式电子设备和电动汽车等能源领域的蓬勃发展，传统的锂离子电池已经无法满足需求，从而引发了对更多潜在储能系统的探索。在这种背景下，锂硫电池由于其理论容量为1675mah g-1，能量密度为2600wh kg-1，以及低预算和充足的资源分配，被认为是下一代电池中最有前途的候选者之一。然而，其进一步的商业应用存在一些内在的技术障碍。首先，硫和反应产物硫化锂的绝缘性导致了低导电性。此外，硫阴极的多步、多电子反应会产生可溶性中间体多硫化物，从而产生所谓的穿梭效应和复杂的相变，导致动力学迟缓。因此，常规锂硫电池存在容量衰减快、寿命短、库仑效率低等缺点。2、为了解决上述问题，引入中间层被认为是抑制多硫化物穿梭，同时调节其缓慢的电化学行为的一种有前途和有效的策略。在以往的研究中，碳基中间层由于增强的导电性和物理约束多硫化物而被广泛应用于锂硫电池中。然而，非极性碳材料和多硫化物之间的弱相互作用不足以有效抑制多硫化物的穿梭效应。3、基于此，本发明以一种简单的静电纺丝和碳化工艺制备了金属锡掺杂碳纳米纤维中间层，并将其应用于锂硫电池中。技术实现思路1、本发明提供了一种金属锡掺杂碳纳米纤维中间层的制备及其在锂硫电池中的应用，同时可以拓展到其他的碱金属电池。2、一种金属锡掺杂碳纳米纤维中间层的制备方法，包括以下步骤：3、(1)将聚丙烯腈加入到n，n-二甲基甲酰胺溶剂中，搅拌使其完全溶解，形成混合溶液；4、(2)对步骤(1)所得溶液中加入五水合四氯化锡，搅拌使其充分溶解，形成静电纺丝前驱体溶液；5、(3)对步骤(2)所得前驱体溶液进行静电纺丝工艺，得到相互编织的纳米纤维；6、(4)对步骤(3)所得纳米纤维在鼓风干燥箱中进行干燥，使溶剂挥发；7、(5)对步骤(4)干燥后的纳米纤维在管式炉中进行预氧化和碳化处理，得到金属锡掺杂碳纳米纤维中间层。8、优选的，步骤(1)中，搅拌温度为40-70℃，转速为550-650r/min，搅拌时间为3-6h。9、优选的，步骤(1)中，聚丙烯腈和n，n-二甲基甲酰胺形成质量分数为8-12％的溶液。10、优选的，步骤(2)中，加入10-20wt％的五水合四氯化锡。11、优选的，步骤(2)中，搅拌温度为40-60℃，转速为550-650r/min，搅拌时间为6-10h。12、优选的，步骤(3)中，在进行静电纺丝工艺时，工作电压为18-20kv，注射器的速率为0.3-0.6ml/h。13、优选的，步骤(4)中，干燥温度为40-60℃，干燥时间为1-3h。14、优选的，步骤(5)中，预氧化温度为250-300℃，升温速率为2-3℃/min，时间为2-4h；碳化温度为600-800℃，升温速率为2-4℃/min，时间为2-4h。15、值得说明的是本发明中，通过协调各因素，最终得到金属锡掺杂碳纳米纤维材料，各因素不可或缺。如果不添加金属锡，所得的碳纳米纤维不具备良好的化学吸附和催化能力。16、本发明具有如下的技术效果：17、(1)本发明采用静电纺丝和碳化工艺制备了金属锡掺杂碳纳米纤维中间层，笔直且表面光滑的纤维相互堆叠成三维网状结构。18、(2)本发明制备工艺简单、操作方便，所得金属锡掺杂碳纳米纤维中间层是一种新颖的中间层材料，将其应用于锂硫电池时，锂硫电池展现出优异的循环性能和倍率性能。技术特征：1.一种金属锡掺杂碳纳米纤维中间层的制备方法，包括以下步骤：2.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中搅拌温度为40-70℃，转速为550-650r/min，搅拌时间为3-6h。3.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中聚丙烯腈和n，n-二甲基甲酰胺形成质量分数为8-12％的溶液。4.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中加入10-20wt％的五水合四氯化锡。5.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中搅拌温度为40-60℃，转速为550-650r/min，搅拌时间为6-10h.。6.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，在进行静电纺丝工艺时，工作电压为18-20kv，注射器的速率为0.3-0.6ml/h。7.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中干燥温度为40-60℃，干燥时间为1-3h。8.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中预氧化温度为250-300℃，升温速率为2-3℃/min，时间为2-4h。9.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中碳化温度为600-800℃，升温速率为2-4℃/min，时间为2-4h。技术总结本发明涉及一种金属锡掺杂碳纳米纤维中间层的制备及其在锂硫电池中的应用。首先将聚丙烯腈加入到N,N‑二甲基甲酰胺中进行搅拌得到混合溶液，然后将五水合四氯化锡加入到上述混合溶液中，搅拌使其形成静电纺丝前驱体溶液，随后经过静电纺丝工艺获得纤维膜，将得到的纤维膜在管式炉中进行预氧化和碳化处理，最终得到金属锡掺杂碳纳米纤维中间层材料。本发明将制备的金属锡掺杂碳纳米纤维中间层应用于锂硫电池中时，碳骨架为整个界面构建了一个高效的导电网络，而均匀分布的金属锡纳米颗粒则充当了多硫化物的吸附剂和促进硫物种转化的催化剂。因此，金属锡掺杂碳纳米纤维中间层使锂硫电池表现出优异的电化学性能。技术研发人员：曹琪,高林同受保护的技术使用者：湘潭大学技术研发日：技术公布日：2024/8/16