阅读说明：本技术 一种石墨烯-氮化钴的Li-S电池隔膜及其制备方法 (Graphene-cobalt nitride Li-S battery diaphragm and preparation method thereof ) 是由 吴淏 赵丹 王宏志 李耀刚 张青红 候成义 于 2019-09-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种石墨烯-氮化钴的Li-S电池隔膜及其制备方法,制备：石墨烯-氮化钴分散液,然后采用滤膜进行抽滤,真空烘干,即得。本发明中利用该隔膜组装的Li-S电池具有优异的电学性能和循环稳定性,能够极大的拓展Li-S电池的应用市场。制备方法简单快速,成本低廉,易于操作,易于产业化。(The invention relates to a graphene-cobalt nitride Li-S battery diaphragm and a preparation method thereof, and the preparation method comprises the following steps: and (3) carrying out suction filtration on the graphene-cobalt nitride dispersion liquid by adopting a filter membrane, and drying in vacuum to obtain the graphene-cobalt nitride dispersion liquid. The Li-S battery assembled by the diaphragm has excellent electrical property and cycling stability, and the application market of the Li-S battery can be greatly expanded. The preparation method is simple and quick, has low cost, is easy to operate and is easy to industrialize.)

一种石墨烯-氮化钴的Li-S电池隔膜及其制备方法

技术领域

本发明属于Li-S电池隔膜及其制备领域，特别涉及一种石墨烯-氮化钴的Li-S电池隔膜及其制备方法。

背景技术

近年来，随着电动汽车的快速发展，人们对车辆续航里程的要求也越来越高，提升车辆动力电池的容量迫在眉睫。有鉴于此，传统的电池材料，如钴酸锂，锰酸锂，钛酸锂已经无法满足整体发展的需求。因此，发展一种新的具有高比容量，高能量密度的电极材料成为目前的当务之急。硫单质在自然界中资源丰富、毒性低，作为正极材料，与金属锂组成的Li-S电池体系可使质量和体积能量密度分别高达2600Wh·Kg-¹和2800Wh·L^-1，且具有1675mAh·g^-1的理论比容量。

不过，Li-S电池的缺点也十分明显。硫的导电性差，循环过程中正极体积易膨胀等等，其中充放电过程中正极产生的多硫化物易溶解到电解液中并扩散至负极，导致“穿梭效应”，影响Li-S电池的循环稳定性，导致低的放电比容量及容量的快速衰减的最主要的因素。

通过合成石墨烯-氮化钴化合物，并将其制备成的石墨烯-氮化钴/PP隔膜，并应用于Li-S电池中。利用多硫化物在石墨烯-氮化钴的化学吸附作用，从而达到阻隔多硫化物的溶解以及扩散的效果，因此很大程度上能够降低其穿梭效应和提高电池稳定性，从而拓展了Li-S电池的应用领域，加速其产业化进程。

CN 108365153 A制备的一种石墨烯基多孔碳片材料，并将之应用于Li-S电池隔膜。该专利中石墨烯基材料经过氮气烧结后存在杂原子掺杂较少，以及杂原子吸附多硫化物差的问题，从而导致了Li-S电池性能低下。有基于此，本发明通过氨气烧结，在石墨烯表面掺杂更多的吡咯型氮，以及生产氮化钴化合物，利用吡咯型氮与多硫化锂形成化学键，从而抑制多硫化物的扩散和降低穿梭效应，提升活性物质硫的利用率。本项发明可以近一步克服现有技术带来的多硫化锂扩散的缺陷，电池稳定性不高的短板。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯-氮化钴的Li-S电池隔膜及其制备方法，克服现有技术中缺乏氮原子有效掺杂，缺少氮原子-多硫化物间化学键形成，无法对Li-S电池的多硫化物穿梭问题进行有效抑制等缺陷。本发明以生长在石墨烯上Co-2MIM作为主体，经过高温NH₃氨化，然后经过抽滤得到的隔膜。

本发明的一种石墨烯-氮化钴/滤膜电池隔膜，所述隔膜为石墨烯-氮化钴片层材料在滤膜上垂直堆积而成，形成连续网络状结构。

所述滤膜为聚丙烯PP；隔膜为圆形，其直径为1.9～2.1cm，厚度为29.8～30.2μm。

本发明的一种石墨烯-氮化钴/滤膜电池隔膜的制备方法，包括：

(1)将GO加入水中，超声粉碎12～18min，得到GO水溶液，然后加入钴盐的水溶液，磁力搅拌，超声粉碎，使得氧化石墨烯-钴离子(GO-Co³⁺)层间分开，得到GO-Co³⁺溶液；

(2)将步骤(2)中的GO-Co³⁺溶液中加入二甲基咪唑水溶液，磁力搅拌5-10min，静置50min，抽滤，冷冻干燥得到Co-2MIM/GO化合物，氮化，得到石墨烯-氮化钴化合物；

(3)将石墨烯-氮化钴化合物分散在溶剂中，细胞粉碎2.0～2.5h，得到石墨烯-氮化钴分散液，然后采用滤膜进行抽滤，真空烘干，即得Li-S电池隔膜。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中氧化石墨烯GO水溶液中GO和水的比例为0.20～0.28g：70～80mL。

所述步骤(1)中钴盐为CoCl₃；钴盐的水溶液的浓度为3.0～6.0wt％。

所述步骤(1)中加入钴盐的水溶液，磁力搅拌5～10min，超声粉碎1～1.5h。

步骤(1)、(2)中氧化石墨烯GO、钴盐的水溶液、二甲基咪唑水溶液的比例为0.20～0.28g:8～12mL:8～12mL。

所述步骤(2)中二甲基咪唑水溶液的浓度为5.0～10.0wt％。

所述步骤(2)中氮化具体为：化合物放入干净的坩埚，置于管式炉中进行氨化，先通NH₃，通气时间为0.5～1.0h来排出管式炉中多余氧气；设置初始温度为30～50℃，以5℃/min的速度升温110～114min使炉内温度升至600℃，保持该温度3～4h进行氮化，氮化结束，待炉内温度降至100℃以下，得到石墨烯-氮化钴化合物。

所述步骤(3)中溶剂为乙醇，滤膜为聚丙烯PP；石墨烯-氮化钴分散液的浓度为0.1～0.3mg/mL。本发明的一种所述方法制备的石墨烯-氮化钴/滤膜电池隔膜。

本发明的一种所述石墨烯-氮化钴/滤膜电池隔膜作为Li-S电池隔膜的应用。

Li-S电池即为锂硫电池。

有益效果

(1)本发明中该隔膜是由石墨烯-氮化钴化合物和商用聚丙烯(PP)电池隔膜构成，可阻隔Li-S电池中多硫化物的穿梭效应，用以提高Li-S电池循环稳定性，可实现大规模化生产；

(2)本发明的制备方法简单易行，所得的石墨烯-氮化钴/PP隔膜具有连续网络状结构；

(3)本发明制备的石墨烯-氮化钴/PP隔膜，为提高Li-S电池性能提供了新的思路；

(4)本发明的石墨烯-氮化钴/PP隔膜，不仅具有石墨烯材料本身稳定的性能，而且通过化学作用吸附多硫化物在有机电解液中的扩散，提升Li-S电池的循环稳定性和工作效率；

(5)本发明所制备的石墨烯-氮化钴/PP隔膜在首圈充放电时，由于本身石墨烯的性能，能够为Li-S电池提供额外补偿容量，进一步提升电池比容量；

(6)本发明制备过程简单，易于操作，适合工业化生产，成本低廉；

(7)本发明的石墨烯-氮化钴/PP隔膜能够直接在Li-S电池中稳定存在，并且可以提高电池的效率，在可穿戴领域具有重要的科学价值和广阔的应用前景；

(8)本发明的制备方法简单易行，便于工业化生产，制得的石墨烯-氮化钴隔膜既具有优异的化学稳定性能又可使Li-S电池循环效率和比容量得到大幅提升。

附图说明

图1为实施例1中制备的石墨烯-氮化钴/PP隔膜的数码照片；其中(a)为纯PP隔膜和石墨烯-氮化钴/PP隔膜，(b)为纯PP隔膜的厚度；(c)为石墨烯-氮化钴/PP隔膜厚度的数码照片；

图2为实施例2，3的FE-SEM照片；其中图(a)、(b)为纯PP隔膜FE-SEM照片，且纯PP隔膜的孔径大约为400nm；图(c)、(d)为石墨烯-氮化钴/PP隔膜FE-SEM照片，石墨烯-氮化钴片的直径约400nm,氮化钴颗粒的大小约50nm附着在石墨烯片表面；图(e)、(f)为石墨烯/PP隔膜的FE-SEM照片，石墨烯片层的大小约为10μm；

图3为对比例1中对比的实施例1和实施例3，(a)为纯PP隔膜，石墨烯/PP隔膜和石墨烯-氮化钴/PP隔膜应用于Li-S电池的循环性能图；(b)、(c)、(d)为纯PP隔膜，石墨烯/PP隔膜，以及石墨烯-氮化钴/PP隔膜的比容量与电压关系图，其中黑色为第一圈充放电；红色为第二圈充放电；蓝色为第三圈充放电图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

GO由南京先丰纳米材料科技有限公司片径：1～5μm；所用氯化钴和二甲基咪唑均由阿拉丁化学试剂有限公司提供。

实施例1

将GO加入水中，超声粉碎15min，得到GO水溶液(0.4wt％，40mL)，然后加入氯化钴的水溶液(3wt％,8mL)，磁力搅拌，超声粉碎，使得氧化石墨烯-钴离子(GO-Co³⁺)层间分开，得到GO-Co³⁺溶液；将上述GO-Co³⁺溶液中加入二甲基咪唑水溶液(5wt％，8mL)，磁力搅拌5min，静置50min，抽滤，冷冻干燥得到Co-2MIM/GO化合物置于管式炉中，预先通NH₃，通气时间为1.0h用以排出管式炉中多余氧气。设置初始温度为50℃，以5℃/min的速度升温110min使炉内温度升至600℃，保持该温度4h进行氮化，氮化结束，待炉内温度降至100℃以下，得到石墨烯-氮化钴化合物。

将得到的化合物与乙醇溶液配成0.1mg/mL溶液，进行细胞粉碎2.0h，得到分散均匀的石墨烯-氮化钴的乙醇分散液。将分散均匀的石墨烯-氮化钴的乙醇分散液以PP为滤膜，进行抽滤，并真空烘干，即得到所需的电池隔膜，其直径为2.0cm，厚度为30.0μm。

实施例2

将GO加入水中，超声粉碎15min，得到GO水溶液(0.7wt％，50mL)，然后加入氯化钴的水溶液(6wt％,12mL)，磁力搅拌，超声粉碎，使得氧化石墨烯-钴离子(GO-Co³⁺)层间分开，得到GO-Co³⁺溶液；将上述GO-Co³⁺溶液中加入二甲基咪唑水溶液(10wt％，12mL)，磁力搅拌8min，静置50min，抽滤，冷冻干燥得到Co-2MIM/GO化合物置于管式炉中，预先通NH₃ 1h，用以排出管式炉中多余氧气。设置初始温度为50℃，以5℃/min的速度升温130min至700℃，保持该温度3h进行氮化，氮化结束，待炉内温度降至100℃以下，得到石墨烯-氮化钴化合物。

将得到的化合物与乙醇溶液配成0.2mg/mL溶液，进行超声粉碎2.0h，得到分散均匀的石墨烯-氮化钴的乙醇分散液。将该溶液以PP为滤膜，进行抽滤，并真空烘干，即得到所需的电池隔膜，其直径为2.0cm，厚度为30.2μm。

实施例3

将氧化石墨烯化合物置于管式炉中，预先通NH₃，通气时间为1.0h来排出管式炉中多余氧气。设置初始温度为50℃，以5℃/min的速度升温至600℃，保温3h进行氮化，氮化结束，待炉内温度降至100℃以下，得到氮化石墨烯。将该化合物与乙醇溶液配成0.3mg/mL溶液，进行超声2.0h，得到分散均匀的石墨烯/乙醇溶液。将分散均匀的石墨烯/乙醇溶液以PP为滤膜，进行抽滤，并真空烘干，即得到所需的石墨烯/PP电池隔膜，其直径为2.0cm，厚度为29.8μm。

对比例1

将实施例1,3中得到纯的石墨烯隔膜组装Li-S电池。通过蓝电电池测试系统(武汉市蓝电电子股份有限公司)对装有纯石墨烯/PP隔膜，石墨烯-氮化钴/PP隔膜的电池进行循环性能测试，通过对比，可以看出装有石墨烯-氮化钴隔膜的Li-S电池性能最好。经过200圈后，容量保持在800mAh/g，每圈容量损失仅为0.1％，高于纯石墨烯/PP隔膜的0.2％。

对比例2

将实施例2中的石墨烯-氮化钴/PP隔膜与商用PP电池隔膜(Celgard 2500,苏州佛赛新材料有限公司)分别组装成Li-S电池进行对比，可以看出在经过200圈充放电循环后，容量为800mAh/g，每圈容量损失率为0.1％，远高于纯PP隔膜的0.3％，石墨烯-氮化钴/PP隔膜在Li-S电池循环稳定性上远优于商用隔膜。

对比例3

将实施例2中的石墨烯-氮化钴/PP隔膜组装成Li-S电池与CN 108365153 A中电池性能进行比较，可以看出石墨烯-氮化钴/PP隔膜在Li-S电池循环稳定性上(容量保持率为80％)优于CN 108365153 A(容量保持率为75.6％)，且不存在电池性能突变的现象。