一种制备锂硫电池限硫载体的方法转让专利
申请号 : CN202110609275.5
文献号 : CN113363412B
文献日 : 2022-04-26
发明人 : 陈子博 , 焦云飞 , 何倩 , 韩旭然 , 王成 , 杨威威 , 刘瑞卿 , 马延文
申请人 : 南京邮电大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:为一种通过磁过滤筛选射频等离子体的化学气相共沉积技术制备多孔碳与金属靶材源和氮的复合材料的限硫载体的制备方法,其步骤包括:
步骤1,将多孔碳基底清洗后固定在沉积腔中的可旋转基座上;
步骤2,将化学气相沉积装置内抽取真空;
步骤3,采用等离子对沉积基底的表面进行清洗,去除沉积基底表面的油污及杂质;
步骤4,将射频放电靶材源引入磁过滤管中进行筛选;
步骤5,控制磁过滤弯管电流和负偏压;
步骤6,控制化学气相沉积装置反应室温度;
步骤7,打开化学气相反应室进气路;
步骤8,沉积结束后,关闭射频放电、磁过滤电源,释放真空度,得到多孔碳/金属和氮的复合材料。
2.根据权利要求1所述一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:通过将射频等离子体技术、磁过滤技术与化学气相沉积技术联用,将射频放电靶材源引入磁过滤管中进行筛选,达到控制筛选化学气相沉积源,进行化学气相沉积,并在化学气相沉积装置内抽取真空,经磁过滤筛选后的等离子体可沉积在基材上,形成均匀稳定镀层。
3.根据权利要求1所述一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:所述化学气相沉积技术为控制化学气相沉积装置内参数,包括磁过滤弯管电流、负偏压、射频功率、靶材源、真空度、反应室温度、气体种类、流速、沉积时间,其中磁过滤弯管电流1~3A,负偏压为‑4 ‑4
150~350V,射频功率500W~900W,靶材源为金属,真空度1×10 ~4×10 pa,反应室温度为500℃~1000℃,气体种类为氨气或氮气和氨气H2/N2混合气,流速为200ppm~600ppm,沉积时间为10min‑60min。
4.根据权利要求3所述的一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:该靶材源为钒、钛、钨金属材料中的一种。
5.根据权利要求4所述的一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:包括如下步骤
步骤1,将多孔碳基底清洗后固定在沉积腔中的可旋转基座上;
4
步骤2,将化学气相沉积装置内抽取真空,真空度达到1×10Pa;
步骤3,采用等离子对沉积基底的表面进行清洗,去除沉积基底表面的油污及杂质;
步骤4,将射频放电靶材钒源引入磁过滤管中进行筛选;
步骤5,控制磁过滤弯管电流为1A、负偏压为150V;
步骤6,控制化学气相沉积装置反应室温度为500℃;
步骤7,打开化学气相反应室进气路,气体种类为氨气,气体流速为200ppm;
步骤8,沉积10min结束后,关闭射频放电、磁过滤电源,释放真空度,得到多孔碳/氮化钒复合材料。
6.根据权利要求4所述的一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:包括如下步骤
步骤1,将多孔碳基底清洗后固定在沉积腔中的可旋转基座上;
‑4
步骤2,将化学气相沉积装置内抽取真空,真空度达到2×10 pa;
步骤3,采用等离子对沉积基底的表面进行清洗,去除沉积基底表面的油污及杂质;
步骤4,将射频放电靶材钛源引入磁过滤管中进行筛选,射频功率为700W;
步骤5,控制磁过滤弯管电流为2A,负偏压为280V;
步骤6,控制化学气相沉积装置反应室温度为700℃;
步骤7,打开化学气相反应室进气路,气体为氨气,气体流速为400ppm;
步骤8,沉积30min后,关闭射频放电、磁过滤电源,释放真空度,待恹复至常压状态后打开沉积腔取出样品得到多孔碳/氮化钛复合材料。
7.根据权利要求4所述的一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:H2/N2混合气的摩尔流量比例为4∶3~10∶1。
8.根据权利要求7所述的一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:包括如下步骤
步骤1,将多孔碳基底清洗后固定在沉积腔中的可旋转基座上;
‑4
步骤2,将化学气相沉积装置内抽取真空,真空度达到4×10 pa;
步骤3,采用等离子对沉积基底的表面进行清洗,去除沉积基底表面的油污及杂质;
步骤4,将射频放电靶材钨源引入磁过滤管中进行筛选,射频功率为900W;
步骤5,控制磁过滤弯管电流为3A,负偏压为350V;
步骤6,控制化学气相沉积装置反应室温度为1000℃;
步骤7,打开化学气相反应室进气路,气体为氢气/氮气混合气,摩尔流量比例为4∶3,气体流速为600ppm;
步骤8,沉积60min后,关闭射频放电、磁过滤电源,释放真空度,待恹复至常压状态后打开沉积腔取出样品得到多孔碳/氮化钨复合材料。
9.根据权利要求1或2所述的一种制备锂硫电池限硫载体的方法,其特征在于:沉积基材为多孔碳、多孔陶瓷中的一种。
说明书 :
一种制备锂硫电池限硫载体的方法
技术领域
背景技术
产物的导电性较差、充放电过程中多硫化物的过多溶解和“穿梭效应”等因素导致循环稳定
性和倍率性能差,以及硫利用率低等瓶颈问题,严重阻碍了锂硫电池的商业化应用。传统的
限硫复合材料制备主要包括湿化学包覆法和化学气相沉积法,湿化学包覆法制得的样品虽
然可以得到高负载型电极,但其与基底材料的结合力较差;化学气相沉积可以得到较均匀
的覆盖层,但其厚度较难控制且沉积样品纯度普遍较差,这些都会影响到后续制备的含硫
电极的电化学稳定性。
料表面的沉积技术。磁过滤射频等离子沉积技术因其离子离化率高、离子能量高、能够制备
高质量、致密、结合力好、光滑的各种高机械强度覆盖层,如何利用此技术。但如何利用此技
术,深入开发一种新型低成本,具有更高的容量和大倍率循环稳定性的硫正极材料是当前
研究的重点,因此,设计对多硫化物具有强健化学吸附能力和快速转化反应动力学,同时覆
盖层具有厚度可调、结合力好且均匀分布的限硫复合材料是一个巨大的挑战。
发明内容
包括:
积,并在化学气相沉积装置内抽取真空,经磁过滤筛选后的等离子体可沉积在基材上,形成
均匀稳定镀层。
过滤弯管电流1~3A,负偏压为150~350V,射频功率500W~900W,靶材源为金属,真空度1×
‑4 ‑4
10 ~4×10 Pa,反应室温度为500℃~1000℃,气体种类为氨气(NH3)或氮气(N2)和氨气
(H2/N2)混合气,流速为200ppm~600ppm,沉积时间为10min‑60min。
了含硫载体的结构稳定性和导电性能,同时将化学气相沉积技术引入该方法中,达到等离
子体与化学气相共沉积的目的。通过这一技术的设计不仅能发挥磁过滤筛选等离子体得到
质量较高的覆盖层,同时引入化学气相沉积增加了不同气体源,为制备不同成分的覆盖层
提供了新的合成路径。
附图说明
具体实施方式
定本发明。
‑4
相沉积装置内抽取真空,真空度达到1×10 Pa;采用等离子对沉积基底的表面进行清洗,去
除沉积基底表面的油污及杂质;将射频放电靶材V源引入磁过滤管中进行筛选,射频功率控
制在500W;控制磁过滤弯管电流为1A,负偏压为150V;控制化学气相沉积装置反应室温度为
500℃;打开化学气相反应室进气路,气体为NH3,气体流速为200ppm;沉积10min后,关闭射
频放电、磁过滤电源,释放真空度,待恢复至常压状态后打开沉积腔取出样品得到多孔C/VN
复合材料。
层VN。
能图。从图中可看出,第一圈放电容量为1382.8mAhg ,200次循环后放电容量为659.9mAhg
‑1
,容量衰减率仅为0.26%,表现出良好的循环稳定性。
通过磁过滤装置筛选去除大颗粒形成V等离子体,同时通过化学气相沉积装置引入NH3,使
之与V等离子体发生反应最终沉积在C表面形成多孔C/VN复合材料。此材料作为新型限硫载
体,使锂硫电池表现出优异的电化学性能。利用磁过滤射频等离子体技术将VN沉积在多孔
碳表面,作为导电骨架和限硫载体提高锂硫电池的电化学性能。VN作为高效催化活性材料
与多硫化物具有高的化学结合力,提高了电极的固硫性能、多硫化物转化动力学和循环寿
命。
‑4
气相沉积装置内抽取真空,真空度达到2×10 Pa;采用等离子对沉积基底的表面进行清洗,
去除沉积基底表面的油污及杂质;将射频放电靶材Ti源引入磁过滤管中进行筛选,射频功
率为700W;控制磁过滤弯管电流为2A,负偏压为280V;控制化学气相沉积装置反应室温度为
700℃;打开化学气相反应室进气路,气体为NH3,气体流速为400ppm;沉积30min后,关闭射
频放电、磁过滤电源,释放真空度,待恢复至常压状态后打开沉积腔取出样品得到多孔C/
TiN复合材料。
‑4
气相沉积装置内抽取真空,真空度达到4×10 Pa;采用等离子对沉积基底的表面进行清洗,
去除沉积基底表面的油污及杂质;将射频放电靶材W源引入磁过滤管中进行筛选,射频功率
为900W;控制磁过滤弯管电流为3A,负偏压为350V;控制化学气相沉积装置反应室温度为
1000℃;打开化学气相反应室进气路,气体为H2/N2混合气,摩尔流量比例为4:3,气体流速为
600ppm;沉积60min后,关闭射频放电、磁过滤电源,释放真空度,待恢复至常压状态后打开
沉积腔取出样品得到多孔C/WN复合材料。
‑4
上;将化学气相沉积装置内抽取真空,真空度达到1×10 Pa;采用等离子对沉积基底的表面
进行清洗,去除沉积基底表面的油污及杂质;将射频放电靶材V源引入磁过滤管中进行筛
选,射频功率控制在500W;控制磁过滤弯管电流为1A,负偏压为150V;控制化学气相沉积装
置反应室温度为500℃;打开化学气相反应室进气路,气体为NH3,气体流速为200ppm;沉积
10min后,关闭射频放电、磁过滤电源,释放真空度,待恢复至常压状态后打开沉积腔取出样
品得到多孔Al2O3/VN复合材料。
从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有
变化囊括在本发明内,不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员
可以理解的其他实施方式。