用废弃聚氨酯塑料制备多孔碳负载硫的锂电池电极材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种用废弃聚氨酯塑料制备多孔碳负载硫的锂电池电极材料的方法。该方法是以升华硫、碳酸钾、废旧聚氨酯为原料，通过了马弗炉高温热处理制备多孔碳，热熔法和机械分散法制备了一种多孔碳负载硫的锂电池电极材料活性物质。该方法关键是通过煅烧让单质硫熔融进入这种多孔碳的孔隙内，机械分散法制备电极材料浆液，最终通过真空干燥箱干燥得到多孔碳负载硫的复合电极材料。经过电化学测试可知该新型多孔碳负载硫的复合电极材料，循环稳定性好、倍率性能优异、制备简单、实验条件温和、原材料廉价，具有商业化的潜力。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种。该方法是以升华硫、碳酸钾、废旧聚氨酯为原料，通过了马弗炉高温热处理制备多孔碳，热熔法和机械分散法制备了一种多孔碳负载硫的锂电池电极材料活性物质。该方法关键是通过煅烧让单质硫熔融进入这种多孔碳的孔隙内，机械分散法制备电极材料浆液，最终通过真空干燥箱干燥得到多孔碳负载硫的复合电极材料。经过电化学测试可知该新型多孔碳负载硫的复合电极材料，循环稳定性好、倍率性能优异、制备简单、实验条件温和、原材料廉价，具有商业化的潜力。【专利说明】
本专利技术涉及一种，属于锂离子动力电池电极材料制备
。
技术介绍
随着社会的发展，人们的环保意识越来越强，电动汽车(EV)作为一种新型绿色能源的交通工具受到越来越多的关注。作为其动力的锂离子电池同样成为了技术热点，为了适应电动车的需要，制备具有比容量高，能量密度大，循环性能好的电极材料成为了电动汽车发展技术的关键。硫因其超高的理论比容量(1675 mAh/g)和理论比能量密度(2500 Kff/kg)最可能成为下一代作为电动汽车电源的锂离子电池。而硫元素本身作为电极材料的有两大缺陷。其一是硫单质本身既不是电子导体也不是离子导体，其二便是硫在充放电的过程中会形成多硫化物而溶解在电池的电解液中。这直接导致了锂硫电池的循环寿命、库伦效率低等问题。这些问题严重的阻碍了锂硫电池的商业化。为了限制这一弊端，一般利用其他如碳纳米管封装(J.Power Sources 2012, 202, 394-339.)、碳包覆(J.Mater.Chem.A 2013, I ,6602-6608.)、核壳或模板限制法、高分子层包覆、掺杂(Nat.Commun.2011，2，325.)等技术来限制多硫化物的溶解。虽然以上方法都能够在一定程度上抑制多硫化物的溶解，提高电极材料的循环性能，但是因其制备方法复杂，实验条件苛刻都未能实现大规模的商业化生产。 多孔碳是黑色粉末状或颗粒状的无定形碳，是一种具有高度发达的孔隙结构和极大表面积的人工碳材料，其物理化学性质稳定，耐酸碱，能经受水湿、高温及高压，不溶于水和有机溶剂，使用失效后可以再生，是一种循环经济性材料。它被广泛用于工业、农业、国防、交通、医药卫生、环境保护等领域。氨酯工业发展非常迅速，世界上聚氨酯的消费量基本上每十年翻一番，与此同时，在聚氨酯的生产与使用过程中产生了大量废弃物，聚氨酯材料作为一种重要的高聚物，它的合理回收再利用将具有重大的社会效益和经济效益。将废弃的聚氨酯塑料制备成具有微孔和介孔的多孔碳材料，并运用在锂硫电池上，能够固硫并抑制了硫在充放电过程中产生的多硫化物的溶解。该种方法获得的多孔碳负载硫的复合电极材料经测试有较好的循环稳定性能和倍率性能，充分发挥出了硫的高比容量的特性。 关于锂硫电池电极材料的研究较多，通过不同的控制方法(多孔物质固硫、高分子涂层涂覆包硫以及掺杂三个方向)改善硫的导电性和抑制多硫化物的溶解是锂硫电池的关键技术。其中利用多孔类的材料载硫早在2009年就有相关报道，Nazar等把硫填入了一种有序介孔碳(CMK-3)中，以此来提高硫的循环性能(Nat.Mater.2009, 8，500-506.)。Chen等认为有序介孔碳材料有较大的内表面面积、高的孔隙率和适宜锂离子传导的介孔，是一种很好的硫载体。他们认为最佳的硫含量为60%，他们制备的材料的首圈放电1138 mAh/g,在6C的电流密度下能够稳定循环400圈(Electrochim.Acta.2011, 56,9549-9555.)。Wang等则使用了微孔-介孔碳作为硫的载体，并认为微孔能够有效的保持电解液限制硫的流失，而介孔作为锂离子的传导通道为活性物质传送锂离子，该材料能够在1.8 C 的电流密度下充放循环 800 次(Phys.Chem.Chem.Phys.2012, 14，8703-8710)。Li等通过用KOH对活性炭进行活化处理并且把该材料作为载体运用到锂硫电池中，他们实验结果表明当载硫量为64%时，材料有最佳的电化学性能包括硫的利用率、放电比容量和循环稳定性(J.Power Sources.2013, 240, 598-605.)。Gao等用葡萄糖作为前驱体来合成微孔碳球，孔隙直径分布小于lnm。该材料有很好的循环稳定性，42 wt%的载硫量和超过 900mAh/g 的比容量(Energy Environ.Sc1.2010，3，1531 - 1537.)。 总之，寻求一种多孔的、导电的载体来解决硫在充放电过程中的产生的穿梭效应以及改善硫本身不导电的特性是设计锂硫电池电极材料的关键。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种，其制备过程包括有热熔法和机械分散法；具体地说，就是通过煅烧让单质硫熔融进入这种特别的多孔碳的孔隙内，机械分散法制备电极材料浆液，最终通过真空干燥箱干燥得到多孔碳负载硫的复合电极材料。 为达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的:一种，具有以下的工艺过程和步骤:a.将废弃聚氨酯塑料用粉碎机进行粉碎，称取5-15g聚氨酯塑料粉末，与15-45g的碳酸钾粉末充分混合后倒入瓷坩埚内，盖上盖子放入马弗炉中，将温度控制在500-1000°C，反应时间控制在30-120min ;将得到的产物先用沸水洗涤10_20min，再用常温去离子水反复洗涤至中性，放入烘箱干燥22-24h，制得的多孔碳材料；b.分别取升华硫、步骤a制备的多孔碳,球磨30min-lh混合均勻,放入管式炉内155°C煅烧12-14h，得到黑色的细小粉末；硫与多孔碳的质量比为2.5:1-4:1 ；c.取步骤b制备的细小粉末、导电碳黑研磨30min-lh混合均匀，其中多孔碳与导电碳的质量比为1:1 ;将混合物转移到小烧杯中加入胶黏剂，充分混合搅拌lOmin，得到胶状黑色液体；用高速内旋式打浆机分散浆液，每次一分钟重复5-10次，得到均一的硫/多孔碳/导电碳的黑色胶状电极浆料；d.将步骤c中的黑色浆料均匀的涂布在事先处理好的金属铝集流体上，置于真空烘箱中干燥，温度设置范围是60-80°C，干燥时间20-24h ;最终制得多孔碳负载硫的锂电池电极材料。 所述步骤c中的胶黏剂为聚偏氟乙烯(PVDF)溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中；电极材料与胶黏剂的质量比为8:1-9:1。 与现有技术相比，本专利技术具有如下突出的实质性特点和显著的优点:本专利技术制备的多孔碳负载硫的锂电池电极材料经过电化学测试可知循环稳定性好、制备方法简单、实验条件温和、原材料廉价，具有商业化的可能并应用于纯电动汽车。 【专利附图】【附图说明】 图1多孔碳负载硫的锂电池电极材料的X射线衍射(XRD)图谱。 图2多孔碳负载硫的锂电池电极材料的透射电镜(TEM)照片。 图3多孔碳负载硫的锂电池电极材料的阶梯电流充放电的循环性能图。 图4多孔碳负载硫的锂电池电极材料的小电流(0.1 C)充放电的循环性能图。 【具体实施方式】 现将本专利技术的具体实施例叙述于后。 一种，具有以下的工艺过程和步骤:取10 g粉碎后的废旧聚氨酯塑料与30 g碳酸钾粉末充分混合均匀，放入瓷坩埚内，盖上瓷坩埚盖子后将坩埚放入事先升温到800 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用废弃聚氨酯塑料制备多孔碳负载硫的锂电池电极材料的方法，其特征在于，具有以下的工艺过程和步骤：a.将废弃聚氨酯塑料用粉碎机进行粉碎，称取5‑15g聚氨酯塑料粉末，与15‑45g的碳酸钾粉末充分混合后倒入瓷坩埚内，盖上盖子放入马弗炉中，将温度控制在500‑1000℃，反应时间控制在30‑120min；将得到的产物先用沸水洗涤10‑20min，再用常温去离子水反复洗涤至中性，放入烘箱干燥22‑24h，制得的多孔碳材料；b.分别取升华硫、步骤a制备的多孔碳，球磨30min‑1h混合均匀，放入管式炉内155℃煅烧12‑14h，得到黑色的细小粉末；硫与多孔碳的质量比为2.5:1‑4:1；c.取步骤b制备的细小粉末、导电碳黑研磨30min‑1h混合均匀，其中多孔碳与导电碳的质量比为1:1；将混合物转移到小烧杯中加入胶黏剂，充分混合搅拌10min，得到胶状黑色液体；用高速内旋式打浆机分散浆液，每次一分钟重复5‑10次，得到均一的硫/多孔碳/导电碳的黑色胶状电极浆料； d.将步骤c中的黑色浆料均匀的涂布在事先处理好的金属铝集流体上，置于真空烘箱中干燥，温度设置范围是60‑80℃，干燥时间20‑24h；最终制得多孔碳负载硫的锂电池电极材料。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，肖索，刘松杭，金菲英，郭文翔，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31