三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料及其制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池技术

本发明专利技术提供了一种三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料及其制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池，与现有技术相比，本发明专利技术利用模板法合成三维有序多孔导电水凝胶聚苯胺，再通过熏硫的方式负载上硫颗粒，多孔结构有利于硫的负载，聚苯胺能够很好得解决了硫正极导电性差、多硫化物穿梭等缺点，从而达到提升电池性能的目的，该材料应用于锂硫电池正极材料，有着循环稳定性好，比能量密度高等优点。制备的聚苯胺负载硫的三维有序多孔结构复合材料具有良好的三维结构、比较面积大，有利于负载更多的硫颗粒，具有良好的导电性；而且，能够结合多硫化物，缓解多硫化物的穿梭效应；用作锂硫电池正极材料，具有大容量和良好的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料及其制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池
本专利技术涉及纳米材料
，特别涉及一种三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料及其制备方法、锂硫电池正极、锂硫电池。
技术介绍
在资源问题日益突出的当下，锂电池因其清洁、比容量高、稳定的电化学性能和较长的使用寿命等优点而得到广泛的应用。然而，随着人们生活质量的进一步提高，特别是在动力汽车等领域的运用，对高能量密度的锂电池提出了更高的要求。其中，锂硫电池因其高达1675mAhg-1的理论容量引起了广泛的关注。锂硫电池主要由含硫正极、锂负极和电解液组成。同时，正极硫具有价格低廉、环境友好等优点，作为下一代极具潜力的能源材料而具有探索意义。然而，锂硫电池中低的电导率、体积膨胀、“多硫化物穿梭现象”等问题严重阻碍了锂硫电池的实际应用。
技术实现思路
鉴于现有硫正极材料存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料，具有三维结构、导电性好。本专利技术另一目的在于提供一种三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的制备方法，本专利技术利用价格低廉原料制备得到聚苯胺溶液，再滴加到模板上、溶解去除模板，得到三维有序多孔导电水凝胶聚苯胺材料；之后负载硫获得锂硫电池正极材料。本专利技术还有一个目的在于提供一种锂硫电池正极，采用上述三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料制成。本专利技术还有一个目的在于提供一种锂硫电池，采用上述锂硫电池正极制成。本专利技术具体技术方案如下：一种三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：A、将苯胺与植酸置于去离子水中，混合均匀，再加入过硫酸铵溶液，充分搅拌进行聚合反应，获得导电水凝胶聚苯胺溶胶；B、将聚苯乙烯溶液滴到基底上，恒温干燥，获得三维有序结构聚苯乙烯模板；C、将步骤A制备的导电水凝胶聚苯胺溶胶滴加到步骤B制备的三维有序结构聚苯乙烯模板上，在烘箱中固化后，去除模板，洗涤，获得三维有序多孔结构聚苯胺；D、将步骤C制备的三维有序多空结构聚苯胺与硫粉混合均匀，熏硫，得到三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料。进一步的，步骤A中所述苯胺与植酸配比为摩尔比1：1-10：1，优选3：1-6：1；步骤A中所述苯胺与过硫酸铵溶液中过硫酸铵摩尔比1：1-1：10，优选1：1-1：3；步骤A中过硫酸铵溶液的浓度为0.05-0.5g/mL，优选0.1-0.3g/mL。步骤A在温度为0-5℃条件下进行，优选2-4℃；反应搅拌5-90分钟，优选10～20分钟；步骤A中苯胺与去离子水的体积比1-4:10。步骤B将购买的质量浓度为2.5％的聚苯乙烯溶液稀释后再使用，稀释后的聚苯乙烯溶液浓度为0.05％-0.3％，优选0.08％-0.15％。其中，聚苯乙烯颗粒直径为300nm-1000nm，优选300nm-600nm；步骤B中所述基底为钛片基底、钨片基底或胶带基底。步骤B中恒温干燥，干燥温度40-100℃，优选60-90℃；干燥时间为6-20小时，优选8-12小时；步骤C中所述导电水凝胶聚苯胺溶胶用量为1-3毫升；步骤C中所述固化温度为40-80℃，优选55-65℃；固化时长为4-20小时，优选6-12小时；步骤C中所述去除模板是指固化后浸渍于甲苯或二甲苯中，去除模板；浸渍时长为10-200秒；步骤D中所述三维有序多空结构聚苯胺与硫粉质量比为1：1-1：4；步骤D中所述熏硫在N2气氛下进行；进一步的，步骤D中所述熏硫温度为100-200℃，优选140-165℃；熏硫时长为10h-36h，优选15h-18h。本专利技术提供的一种三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料，采用上述方法制备得到，直径在500纳米量级，具有三维有序多孔结构。一种锂硫电池正极，使用上述制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料制成；一种锂硫电池，使用包括三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料制成的正极制成；本专利技术的机理：本专利技术通过模板法合成具有三维有序结构的模板，再通过相似相溶去除模板，获得三维有序多孔结构水凝胶聚苯胺；之后再利用硫的熔融法浸入到孔洞中形成聚三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料。本专利技术提供的一种三维有序多孔导电水凝胶聚苯胺负载硫作为锂硫电池正极材料。导电水凝胶材料具有良好的电导率，解决硫正极电导率过低的现象，提高电子传输能力；三维有序孔洞结构提供硫负载空间，减少体积膨胀的伤害；同时，三维结构具有大的比表面积和短的锂离子传输路径，有利于对多硫化物的捕捉以及促进锂离子的传输。与现有普通硫正极相比，本专利技术利用模板法合成三维有序多孔导电水凝胶聚苯胺，再通过熏硫的方式负载上硫颗粒。其中，以商业的具有均一直径颗粒的聚苯乙烯溶液制备出规整排列的三维模板结构，通过简单搅拌方法合成聚苯胺溶胶，利用物质相似相溶去除模板获得三维有序结构水凝胶，实验不需要高温高压，方法简单便利。之后与硫复合获得三维有序多孔结构复合材料，其中多孔结构有利于硫的负载，聚苯胺能够很好得解决了硫正极导电性差、多硫化物穿梭等缺点，从而达到提升电池性能的目的，该材料应用于锂硫电池正极材料，有着循环稳定性好，比能量密度高等优点。制备的聚苯胺负载硫的三维有序多孔结构复合材料具有良好的三维结构、比较面积大，有利于负载更多的硫颗粒，具有良好的导电性；而且，能够结合多硫化物，缓解多硫化物的穿梭效应；用作锂硫电池正极材料，具有大容量和良好的循环性能。附图说明图1为实施例1制备的三维有序结构聚苯乙烯模板的SEM图；图2为实施例1制备的三维有序多孔结构水凝胶的SEM图；图3为实施例1制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的SEM图；图4为实施例2制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的SEM图；图5为实施例3制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的SEM图；图6为实施例4制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的SEM图；图7为实施例5制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的SEM图；图8为实施例3制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的XRD图；图9为实施例3制备的三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料作为锂硫电池正极材料在100mA/g电流密度下的循环稳定性测试图。具体实施方式实施例1一种三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的制备方法，包括以下步骤：A、1毫升苯胺和1毫升植酸溶解在10毫升水中，在冰水浴中搅拌10分钟后，加入20毫升含有3克过硫酸铵的过硫酸铵溶液，在冰水浴0℃中继续搅拌10分钟，获得混合均匀的导电水凝胶聚苯胺溶胶。B、取2毫升500纳米直径的商业2.5％浓度聚苯乙烯溶液，置于30毫升水中，超声30分钟，将所得将聚苯乙烯溶液滴加到钨片基底上，在50℃下恒温干燥12小时，获得三维有序结构聚苯乙烯模板。C、取1毫升步骤A中获得的导电水凝胶聚苯胺溶胶滴加到步骤B制备的三维有序结构聚苯乙烯模板上，放入60℃烘箱中固化8小时，再浸入甲苯中15秒去除聚苯乙烯模板，洗涤，获得三维有序多空结构聚苯胺。D、将0.5克步骤C制备的三维有序多空结构聚苯胺与0.5克硫粉混合均匀放入聚四氟乙烯塑料瓶中，瓶内装满氮气，110℃保温12h，自然冷却降温，得到三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料。实施例2一种三维有序多孔结构水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：A、将苯胺与植酸置于去离子水中，混合均匀，再加入过硫酸铵溶液，充分搅拌进行聚合反应，获得导电水凝胶聚苯胺溶胶；B、将聚苯乙烯溶液滴到基底上，恒温干燥，获得三维有序结构聚苯乙烯模板；C、将步骤A制备的导电水凝胶聚苯胺溶胶滴加到步骤B制备的三维有序结构聚苯乙烯模板上，在烘箱中固化后，去除模板，洗涤，获得三维有序多孔结构聚苯胺；D、将步骤C制备的三维有序多空结构聚苯胺与硫粉混合均匀，熏硫，得到三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料。

【技术特征摘要】
1.三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：A、将苯胺与植酸置于去离子水中，混合均匀，再加入过硫酸铵溶液，充分搅拌进行聚合反应，获得导电水凝胶聚苯胺溶胶；B、将聚苯乙烯溶液滴到基底上，恒温干燥，获得三维有序结构聚苯乙烯模板；C、将步骤A制备的导电水凝胶聚苯胺溶胶滴加到步骤B制备的三维有序结构聚苯乙烯模板上，在烘箱中固化后，去除模板，洗涤，获得三维有序多孔结构聚苯胺；D、将步骤C制备的三维有序多空结构聚苯胺与硫粉混合均匀，熏硫，得到三维有序多孔结构水凝胶负载硫颗粒复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中所述苯胺与植酸配比为摩尔比1：1-10：1。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤A中所述苯胺与过硫酸铵溶液中过硫酸铵摩尔比1：1-1：10。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金云，周萍，李金金，刘锦淮，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34