一种硫锂电池用正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硫锂电池用正极材料的制备方法。本发明专利技术提供的制备方法是将硫化锂纳米化粒子嵌入到氮掺杂的金属有机物骨架中，通过控制工艺参数合理调控合成材料的结构参数，进而得到比表面积高、负载量高、导电性能良好的正极材料；本发明专利技术合成的正极材料具有丰富的纳米尺寸的孔穴，纳米孔穴的存在不仅为微粒提供通道，而且其内的丰富官能团及强烈的毛细管作用力可以实现物质的固定，有效减少电池活性物质由于穿梭效应造成的损耗，进而改善硫锂电池的库伦效率和循环稳定性；最为重要的是，本发明专利技术能克服现有技术中传统硫锂电池正极材料在转变为锂多硫化物过程中的体积膨胀所导致的电池电极结构损坏的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术具体涉及一种硫锂电池用正极材料的制备方法。
技术介绍
随着智能通讯设备以及电动设备领域的发展，研究和发展具有高能量密度的可循环充放电的二次电池已经成为全球关注的能源存储问题。锂硫电池因具有极高的理论容量和能量密度，并且对环境友好等优点，收到广泛的关注，被认为是有最具潜力的下一代可循环充放电电池。传统的锂硫电池是以锂为负极，单质硫为正极的二次电池。然而，在传统的锂硫电池中，单质硫正极材料面临着许多问题。例如，单质硫是绝缘体，因此，导电性很差，不利于电子的传输。其次，在电极反应过程中，高聚态多硫化锂的形成所带来的飞梭效应降低了硫活性物质的利用率。更重要地，在循环充放电的过程中，硫的巨大的体积膨胀在潜在的安全隐患。这些不足之处阻碍了锂硫电池的发展及应用。故而，如何能够改善、解决上述问题，尤其是降低硫锂电池正极材料的体积膨胀，提高硫锂电池的使用安全性，成为研究中所要解决的技术问题。目前众多的硫锂电池的研究者正在积极开展硫化锂(Li2S)的研究。硫化锂(Li2S)的理论容量高达1166mAhg-1，然而，硫化锂(Li2S)与单质硫电极一样是绝缘性材料，在作为正极材料时需要加入导电剂，并进行特殊的处理提高其电化学活性。目前，研究者采用了不同的方法和策略，以期能够改善或解决上述问题。例如，将硫化锂粒子纳米化，可以显著提高其电化学性能。另外，导电的碳质材料的引入可以有效地提高其导电性。许多的研究引进了多孔碳、掺杂碳、碳纳米管以及石墨烯等具有良好导电性的碳材料作为硫化锂的载体，将硫化锂均匀地负载在这些导电的碳材料骨架中来提高其导电率。多孔的碳材料由于具有很高的导电率和比表面积、能有效的减小飞梭效应等优点，因而被认为是硫化锂纳米粒子的理想载体。现有技术中，申请号为201610096059.4的中国专利《一种掺杂碳硫化锂核壳结构的正极材料的制备方法》公开了一种碳包覆硫化锂的锂硫电池正极材料的制备方法，该方法采用金属氧化物为掺杂源，球磨后得到掺杂硫化锂，再以葡萄糖等有机物作为碳源，高温反应得到碳包覆的硫化锂。该方法需要在惰性气体下进行高能球磨、高温反应，工艺复杂，能耗高，制备时间长，所制备的碳结构不具有疏松多孔、高比表面积等优点，不能很好的提高硫化锂的电化学性能；申请号为201610377904.5的中国专利《一种纳米级碳包覆硫化锂复合材料及其制备方法和应用》公开了一种碳包覆硫化锂的锂硫电池正极材料的制备方法，该方法通过高温煅烧制备纳米级硫化锂颗粒，化学气相沉积法对硫化锂颗粒进行碳包覆，制备了锂硫电池正极材料。该方法需要重复进行化学气相沉积过程，工艺复杂十分复杂。为了克服以上技术问题，亟需设计出一种能够有效负载硫化锂纳米粒子的高导电率电极材料。
技术实现思路
基于上文所述，本专利技术为克服上述技术问题提供一种基于金属有机物骨架的硫锂电池用正极材料的制备方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种硫锂电池用正极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤A：将金属硝酸盐与含氮有机物配体分别溶解到溶剂中得到金属硝酸盐溶液和含氮有机物配体溶液，然后将所述含氮有机物配体溶液缓慢加入所述金属硝酸盐溶液中，得到混合溶液；将所述混合溶液静置后进行抽滤处理，并将抽滤所得物清洗、烘干，制得第一产物；将所述第一产物在惰性环境下进行退火处理，制得第二产物，将所述第二产物中金属粒子去除，并进行清洗和干燥处理，制得氮掺杂的金属有机物骨架；步骤B：在惰性环境下，将纳米硫化锂溶于无水乙醇，分散均匀，制得纳米硫化锂乙醇溶液；步骤C：在惰性环境下，将步骤B制得的纳米硫化锂乙醇溶液缓慢滴加于步骤A制得的金属有机物骨架上，然后经烘干处理，得到氮掺杂的硫锂电池用正极材料。进一步地，本专利技术所述金属硝酸盐具体为硝酸钴、硝酸锌、硝酸锆；所述含氮有机物配体具体为2-甲基咪唑、吡啶或2,2-联吡啶；所述金属硝酸盐溶液的溶剂或含氮有机物配体溶液的溶剂为甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或水。具体地，所述金属硝酸盐溶液的浓度为10～50mg/mL；所述含氮有机物配体溶液的浓度为10～30mg/mL。进一步地，所述金属硝酸盐与所述含氮有机物配体的摩尔比为金属硝酸盐∶含氮有机物配体＝1∶2～10。进一步地，所述步骤A中退火处理的温度为500～950℃，退火处理的时间为3～6小时。进一步地，所述步骤A中去除金属粒子具体是将所述第二产物浸泡于酸溶液中进行处理，所述酸溶液为盐酸或硫酸，浓度为1～3mol/L。进一步地，所述步骤B中纳米硫化锂乙醇溶液的浓度为10～30mg/mL。进一步地，所述步骤C中最终制得氮掺杂的硫锂电池用正极材料中硫化锂与含氮金属有机物骨架的质量比为5∶1～10。进一步地，所述步骤C中烘干处理的温度为100～300℃，烘干处理的时间为0.5～3小时。与现有技术相比，本专利技术有益效果如下：1、由于硫锂电池正极的体积膨胀发生在硫单质转变为多硫化物的过程中，所以本专利技术采用改性硫化锂材料作为正极材料能够克服传统硫锂电池中硫电极转变为锂多硫化物过程中的体积膨胀所导致的电池电极结构损坏的缺陷，而且改性硫化锂作为正极材料拓宽了硫锂电池中负极材料的选择范围。2、本专利技术中的金属有机物骨架是由金属离子和有机物配合基在适当的溶剂中自组装而成的多孔结构骨架。通过合理调整金属有机物骨架的比表面积、孔隙率等关键结构参数，能够使得合成骨架材料对硫化锂有包覆作用，有利于改善硫化锂材料的导电性；通过金属有机物骨架转变的碳骨架结构拥有大量的纳米尺寸的孔穴，提高了负载量，上述孔穴不仅为微粒提供通道，而且其内的丰富官能团及强烈的毛细管作用力可以实现物质的固定，进而有效减少电池活性物质由于穿梭效应造成的损耗，进而改善硫锂电池的库伦效率和循环稳定性；此外，本专利技术提供的制备方法中金属有机物骨架能够对碳骨架进行氮掺杂，从而提高碳骨架的导电性。3、本专利技术提供的均匀负载硫化锂的方法中，硫化锂溶液能够进入到金属有机物骨架所提供的纳米孔中，可以实现高硫化锂负载量。同时，所用到的设备要求低，制备方法简单易行，制备周期短，不需要进行高温处理等苛刻的实验条件就能实现硫化锂的负载，并且能够精确控制硫化锂的负载量，本专利技术制备方法具有产业化潜力，可应用于高容量锂硫电池领域。附图说明图1是本专利技术实施例1所制备样品的扫描电子显微镜图像。图2是本专利技术实施例2所制备样品的X光电子能谱图的高分辨N1s分谱图。图3是本专利技术实施例3所制备样品的孔径分布数据图。图4是本专利技术实施例4所制备样品的扫描电子显微镜图像。图5是本专利技术实施例6所制备样品的充放电曲线。具体实施方式下面结合实施例和说明书附图，详细描述本专利技术的技术方案：实施例1：一种硫锂电池用正极材料及其制备方法，包括如下步骤：步骤A：称取5.238g硝酸钴加入200mL甲醇中，搅拌使其充分溶解，得到硝酸钴溶液；称取3.955g2-甲基咪唑(C4H6N2)加入200mL甲醇中，搅拌使其充分溶解，得到有机物配体溶液，本实施例采用的含氮有机物配体为2-甲基咪唑，根据本领域技术人员公知常识，吡啶或2,2-联吡啶可替换2-甲基咪唑作为含氮有机物配体；然后将所述有机物配体溶液缓慢加入所述硝酸钴溶液中，得到混合溶液；将所述混合溶液静置20小时，然后进行抽滤处理，并将抽滤所得物清洗、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硫锂电池用正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：将金属硝酸盐与含氮有机物配体分别溶解到溶剂中得到金属硝酸盐溶液和含氮有机物配体溶液，然后将所述含氮有机物配体溶液缓慢加入所述金属硝酸盐溶液中，得到混合溶液；将所述混合溶液静置后进行抽滤处理，并将抽滤所得物清洗、烘干，制得第一产物；然后将所述第一产物在惰性环境下进行退火处理，制得第二产物，然后除去所述第二产物中金属粒子，并进行清洗和干燥处理，制得氮掺杂金属有机物骨架；步骤B：在惰性环境下，将纳米硫化锂溶于无水乙醇，分散均匀，制得纳米硫化锂乙醇溶液；步骤C：在惰性环境下，将步骤B制得的纳米硫化锂乙醇溶液缓慢滴加于步骤A制得的金属有机物骨架上，然后经烘干处理，得到氮掺杂的硫锂电池用正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种硫锂电池用正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：将金属硝酸盐与含氮有机物配体分别溶解到溶剂中得到金属硝酸盐溶液和含氮有机物配体溶液，然后将所述含氮有机物配体溶液缓慢加入所述金属硝酸盐溶液中，得到混合溶液；将所述混合溶液静置后进行抽滤处理，并将抽滤所得物清洗、烘干，制得第一产物；然后将所述第一产物在惰性环境下进行退火处理，制得第二产物，然后除去所述第二产物中金属粒子，并进行清洗和干燥处理，制得氮掺杂金属有机物骨架；步骤B：在惰性环境下，将纳米硫化锂溶于无水乙醇，分散均匀，制得纳米硫化锂乙醇溶液；步骤C：在惰性环境下，将步骤B制得的纳米硫化锂乙醇溶液缓慢滴加于步骤A制得的金属有机物骨架上，然后经烘干处理，得到氮掺杂的硫锂电池用正极材料。2.根据权利要求1所述的一种硫锂电池用正极材料的制备方法，其特征在于，所述金属硝酸盐具体为硝酸钴、硝酸锌或硝酸锆；所述含氮有机物配体具体为2-甲基咪唑、吡啶或2,2-联吡啶；所述金属硝酸盐溶液的溶剂或含氮有机物配体溶液的溶剂为甲醇、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺或水。3.根据权利要求2所述的一种硫锂电池用正极材料的制备方法，其特征在于，所述金...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈远富，林杰，贺加瑞，戚飞，王新强，于博，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51