一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料及制备方法技术

技术编号:20048371 阅读:62 留言:0更新日期:2019-01-09 05:18
本发明专利技术提出一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料及制备方法,所述正极材料是将三维多孔框架的碳基材料、氧化镍和氧化钕粉末均匀混合,接着低温处理后真空烧结,得到硝酸钕铁电材料,然后通过硫化氢将碳基材料还原同时将单质硫负载在碳基材料表面而制得。本发明专利技术提供的硫电池正极材料在应用中,通过将硫固定在框架内部,通过其强极性自发吸附中间产物极性多硫化物,有效避免了正极材料流失的问题,抑制了穿梭效应,得到的锂电池的电学性能优异,具有广阔应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料及制备方法
本专利技术涉及锂硫电池
,特别是涉及一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料及制备方法。
技术介绍
电能储存技术和设备将会在未来社会发展中成为一项十分重要的需求。传统锂离子电池具有具有安全性好、无记忆效应、循环寿命长以及无污染等优点,目前已经成为各类电子产品的首选电源。在锂离子二次电池体系中,相比于负极材料,低比能量的正极材料一直是制约其发展的主要因素。而锂硫电池相比于常见的锂离子电池正极材料,硫具有来源广泛、成本低、高安全性、对环境友好等特点,是一种具有巨大前景的高比能量正极材料,成为近几年的研究热点。锂-硫电池是一种新型二次电池体系,电池结构以金属锂为负极、单质硫为正极而构成,其具有原材料含量丰富,制备成本低廉,环境友好等特点。锂-硫电池中硫正极的理论比容量可以达到1675 mAh/g,金属锂负极的理论容量更是高达 3860 mAh/g,这致使锂-硫电池体系具有高达2600 Wh/kg的理论比能量值,为现有锂电池的5倍左右,是最具发展潜力的高能化学电源体系之一。如此之高的比能量也符合市场对移动通讯设备待机时间和电动汽车续航里程的要求。锂硫电池具有较高的理论比容量和低成本的优势,在下一代新能源电池中具有十分优异的竞争力。但其缺点也相当明显,正极材料在充放电过程中产生可溶性的多硫化物,同时向负极穿梭,引起负极材料的腐蚀和正极材料的容量的不可逆下降。目前针对正极材料的改进主要通过不溶性基底材料进复合,将正极的硫固定在正极材料内部。但目前的主要工作集中在导电聚合物和碳基材料方面,其对于硫的吸附方式大多通过物理限域作用进行。而可溶性多硫化锂具有较强的极性,通过强极性物质对多硫化锂进行化学吸附用以降低其溶解度具有更加优异的吸附性能。中国专利技术专利申请号201711154675.1公开了一种基于铁酸镍极性载体的锂硫电池复合正极材料及其制备方法;该复合正极材料由具有一维结构的铁酸镍和硫单质复合而得到;制备方法是先以静电纺丝法制得前驱体,后经高温煅烧制得铁酸镍纤维,再由热处理法与硫单质复合,即得;该制备方法工艺成熟,过程简单,易于获得不同硫含量的复合正极材料。中国专利技术专利申请号201810075423.8公开了一种锂硫电池正极材料、其制备方法和锂硫电池,该专利技术提供的锂硫电池正极材料为钴酸锰微球和硫单质形成的复合材料,所述的硫单质的质量含量为50~90%;该专利技术提供的钴酸锰对多硫化物具有极强的吸附作用,可以有效抑制多硫化锂在醚类电解液中的溶解,减缓电池充放电过程中的穿梭效应,降低锂硫电池的容量衰减,提高电池寿命。为了改善锂硫电池正极硫流失严重的问题,抑制锂硫电池穿梭效应导致的电学性能下降的缺陷,有必要提出一种抑制穿梭效应的锂硫电池正极材料,进而提高锂硫电池的性能,拓展应用前景。
技术实现思路
针对目前锂硫电池正极硫流失严重,穿梭效应导致锂电池电学性能下降严重,影响了使用性能的问题,本专利技术提出一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料及制备方法,从而抑制了穿梭效应,避免了正极材料的流失,提高了锂硫电池的性能。为解决上述问题,本专利技术采用以下技术方案:一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料,所述正极材料是将三维多孔框架的碳基材料、氧化镍和氧化钕粉末均匀混合,接着低温处理后真空烧结,得到硝酸钕铁电材料,然后通过硫化氢将碳基材料还原同时将单质硫负载在碳基材料表面而制得。优选的,所述三维多孔框架的碳基材料为石墨烯、碳纳米管、石墨中的一种或两种以上的组合。本专利技术还提供了一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料的制备方法,具体制备方法如下:(1)将三维多孔框架的碳基材料研磨,得到粉末材料A;(2)将球磨后的氧化镍和氧化钕粉末与粉末状材料A均匀混合后,在含有少量氧气的氩气气氛下低温处理,然后进行真空烧结,碳基材料表面被氧化,氧化钕与氧化镍在碳基材料孔隙中形成钙钛矿型的合成的镍酸钕;(3)将合成的镍酸钕在烧结完成后缓慢冷却,达到适宜温度保温,同时使用硫化氢气体进行吹燥,将单质硫负载在被还原的碳基材料上,制得负载硫的镍酸汝/碳材料,即抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料。优选的,步骤(2)中所述含有少量氧气的氩气气氛中,氩气、氧气的体积比例为100:4-8。优选的,步骤(2)中所述低温处理的温度为-40-0℃,处理3-3.5h。优选的,步骤(2)中所述真空烧结的温度为700-750℃,真空度为0.001-0.01Pa,烧结30-40min。优选的,步骤(2)中所述反应体系中,粉末状材料A、氧化镍粉末、氧化钕粉末的质量比例100:15-20:15-20。优选的,步骤(2)中所述合成的硝酸钕还可以是其他ABO3型钙钛矿结构的铁电材料。优选的,步骤(3)中所述缓慢冷却的冷却速度为4-8℃/min,所述适宜温度为150-180℃。优选的,步骤(3)中所述硫化氢气体吹燥的气体流速为3-6L/min。现有锂硫电池穿梭效应严重,致使正极硫流失严重的问题,限制了其应用。鉴于此,本专利技术提出一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料及制备方法,使用具有三维多孔框架的碳基材料作为原料,记为材料A,将球磨后的氧化镍和氧化钕粉末与粉末状材料A均匀混合后,在含有少量氧气的氩气气氛下低温处理后进行真空烧结,氧化钕与氧化镍在碳基材料孔隙中形成钙钛矿型的镍酸钕,同时碳基材料表面被氧化,烧结完成后缓慢冷却至适宜温度保温,同时使用硫化氢气体进行吹燥,将单质硫负载在被还原的碳基材料上,获得负载硫的镍酸汝/碳材料,即锂硫电池的正极材料。本专利技术提供的硫电池正极材料在应用中,通过将硫固定在框架内部,通过其强极性自发吸附中间产物极性多硫化物,有效避免了正极材料流失的问题,抑制了穿梭效应,得到的锂电池的电学性能优异,具有广阔应用前景。本专利技术提出一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料及制备方法,与现有技术相比,其突出的特点和优异的效果在于:1、本专利技术通过铁电材料与导电材料复合形成多孔框架结构,将硫固定在框架内部,通过其强极性自发吸附中间产物极性多硫化物,有效避免了正极材料流失的问题。2、本专利技术制备的锂硫电池正极材料在应用中,可有效抑制穿梭效应,提高锂电池的电学性能,具有广阔应用前景。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明,但不应将此理解为本专利技术的范围仅限于以下的实例。在不脱离本专利技术上述方法思想的情况下,根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更,均应包含在本专利技术的范围内。实施例1(1)将三维多孔框架的碳基材料研磨,得到粉末材料A;三维多孔框架的碳基材料为石墨烯;(2)将球磨后的氧化镍和氧化钕粉末与粉末状材料A均匀混合后,在含有少量氧气的氩气气氛下低温处理,然后进行真空烧结,碳基材料表面被氧化,氧化钕与氧化镍在碳基材料孔隙中形成钙钛矿型的合成的镍酸钕;含有少量氧气的氩气气氛中,氩气、氧气的体积比例为100:5;低温处理的温度为-30℃,处理3h;真空烧结的温度为730℃,真空度为0.006Pa,烧结36min;反应体系中,粉末状材料A、氧化镍粉末、氧化钕粉末的质量比例100:17:17;合成的硝酸钕还可以是其他ABO3型钙钛矿结构的铁电材料;(3)将合成的镍酸钕在烧结完成后缓慢冷却,达到适宜温度保温,同时使用硫化氢气体进行吹燥,将单质硫负载在被还原本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料,其特征在于,所述正极材料是将三维多孔框架的碳基材料、氧化镍和氧化钕粉末均匀混合,接着低温处理后真空烧结,得到硝酸钕铁电材料,然后通过硫化氢将碳基材料还原同时将单质硫负载在碳基材料表面而制得。

【技术特征摘要】
1.一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料,其特征在于,所述正极材料是将三维多孔框架的碳基材料、氧化镍和氧化钕粉末均匀混合,接着低温处理后真空烧结,得到硝酸钕铁电材料,然后通过硫化氢将碳基材料还原同时将单质硫负载在碳基材料表面而制得。2.根据权利要求1所述的一种燃料电池用陶瓷气体扩散层,其特征在于,所述三维多孔框架的碳基材料为石墨烯、碳纳米管、石墨中的一种或两种以上的组合。3.如权利要求1-2任一权项所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料的制备方法,其特征在于,具体制备方法如下:(1)将三维多孔框架的碳基材料研磨,得到粉末材料A;(2)将球磨后的氧化镍和氧化钕粉末与粉末状材料A均匀混合后,在含有少量氧气的氩气气氛下低温处理,然后进行真空烧结,碳基材料表面被氧化,氧化钕与氧化镍在碳基材料孔隙中形成钙钛矿型的合成的镍酸钕;(3)将合成的镍酸钕在烧结完成后缓慢冷却,达到适宜温度保温,同时使用硫化氢气体进行吹燥,将单质硫负载在被还原的碳基材料上,制得负载硫的镍酸钕/碳材料,即抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料。4.根据权利要求3所述的一种抑制锂硫电池穿梭效应的正极材料的制备方法,其特征在于,步骤(2)中所述含有少量氧气的氩气气氛...

【专利技术属性】
技术研发人员:陈庆廖健淞
申请(专利权)人:成都新柯力化工科技有限公司
类型:发明
国别省市:四川,51

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