一种碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳凝胶负载硫‑锂硫电池正极材料的制备方法，将硫放入活塞密封气缸底部，上部叠放碳凝胶材料，装入活塞；排出气缸内及碳凝胶材料中的空气，然后通过气缸出口通入惰性气体；密封气缸出口，快速推压活塞，气缸内的惰性气体由于骤然压缩而升温，致使硫受热升华，并在活塞压力下进入气凝胶材料的孔道之中；快速抽拉活塞至气凝胶材料初始长度，惰性气体因体积膨胀温度下降，随着温度的下降，气相易升化物质凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在气凝胶材料的孔道中；获得高硫负载量的碳凝胶材料，然后经过切片、压片即得。本发明专利技术制备方法简单，且获得的正极材料载硫量高、硫单质分布均匀，具有优异的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于正极材料制备
，具体涉及一种碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法。
技术介绍
随着能源消耗和需求的不断增长，可开发利用的石油资源日益枯竭，解决能源消耗和随之而来的环境污染的冲突已经成为一个全球化的问题，因此对洁净能源太阳能和风能的开发利用迫在眉睫，而利用这些能源需要安全、低成本、高能量密度和长寿命的电化学储能器件来实现。以铅酸电池、镇氢电池和锂离子电池为代表的二次电池作为一种可循环使用的高效新能源存储器件，成为缓解能源和环境问题的一种重要的技术途径。特别是近年来迅速发展的便携式电子消费品、电动汽车和工具、国防军事装备用电源系统，智能电网以及分布式能源系统等众多应用领域，无不显示出二次电池对当今社会可持续发展的支撑作用，以及在新能源领域中不可替代的地位。与传统的过渡金属氧化物比较，锂硫电池作为一种新型电极材料，具有高达1675mAh/g理论比容量，高理论能量密度(2600Wh/kg)以及绿色环保和低成本而备受关注，成为最具潜力的下一代能量储存体系之一。同时，锂硫电池还具有低污染、廉价、硫资源丰富等优点。但是由于活性物质单质硫的绝缘性，使得单质硫必须与电子导体相复合，制备成导电剂/硫复合结构，来增加正极对电子和离子的传导性。由于这些特性，锂硫电极在高能量密度电池、柔性电极以及新型交通工具等方面极具发展潜力和应用前景。其中，碳凝胶材料在高能量密度电池正极材料中的应用受到了广泛关注。碳干凝胶具有纳米级的胶体颗粒或高聚物分子相互连接所形成的空间网络结构且具备比表面积大、孔径结构可调、高电导率和水热稳定性等特性。在锂硫电池中，碳凝胶为导电基底，提升了单质硫的导电性，减少了活性物质的流失，提升了循环性能，省去了传统电极的金属集流体和粘接剂，提高了电极的能量密度。现有的锂硫电池正极材料的制备方法主要有：(1)吸附法：将碳凝胶材料进行压块封装组成吸附袋或吸附模块，利用其优异的表面吸附能力将通过的含硫废气中的硫元素进行吸附。该方法虽然工艺简单，但未能充分利用碳凝胶高比表面积及孔容，易中毒，负载硫效率低下。(2)溶剂交换法：将硫单质溶解于乙醇、乙醚、二硫化碳、四氯化碳、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、环己烷、甲苯和苯有机溶剂中，将上述溶剂浸渍碳凝胶材料，再将有机溶剂蒸发后，单质硫重新析出负载在碳凝胶材料中。但该方法中有机溶剂难以进入微孔结构，导致负硫不充分且不够均匀，且有机溶剂多有毒性，蒸发后需要回流冷凝以回收利用，导致工艺复杂，成本难以下降。(3)化学法：将硫代硫酸钠溶解在溶剂中，再将碳凝胶材料分散在该溶剂中，加入酸改变溶液pH值，在一定条件下，硫代硫酸钠反应生成单质硫颗粒负载在碳凝胶材料中，同种沉淀反应常用反应物还有硫化钠。但该方法中有机溶剂难以进入微孔结构，导致负硫不充分且不够均匀，且需经过控制条件以发生化学反应，反应精度难以控制，工艺复杂，成本高。(4)热处理法：将单质硫和碳凝胶材料按照一定比例混合，搅拌球磨后密封于特制容器中，抽真空或通入惰性气氛保护，再送入热处理炉中在40-150℃处理1-8小时，再加热到300℃以上处理1-3小时，去除未复合良好的多余单质硫，随炉冷却至室温，即可完成碳凝胶负载单质硫工艺。这种方法工艺条件较为苛刻，负载时间较长，难以实现自动化工艺。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法，解决了现有技术的制备方法反应时间长、温度高、能耗大、生产成本高的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，将单质硫放入活塞密封气缸底部，单质硫上部叠放碳凝胶材料，装入活塞；步骤2，排出气缸内及碳凝胶材料中的空气，然后通过气缸出口通入惰性气体；步骤3，密封气缸出口，快速推压活塞，气缸内的惰性气体由于骤然压缩而升温，致使单质硫受热升华，并在活塞压力下进入碳凝胶材料的孔道之中；步骤4，快速抽拉活塞至碳凝胶材料初始长度，惰性气体因体积膨胀温度下降，随着温度的下降，硫蒸汽凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在碳凝胶材料的孔道中；步骤5，重复2-4步操作，即获得高硫负载量的碳凝胶材料；步骤6，将步骤5得到的高硫负载量的碳凝胶材料冷却后，依次经过切片、压片，得到碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料。本专利技术的特点还在于，步骤1中碳凝胶材料与单质硫的质量比为1：4-5。步骤2中惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气中的一种或多种混合物。步骤3中气缸内惰性气体压缩比为2-10。步骤3中活塞推压速度为0.2-1m/s。步骤6所得切片的厚度为2-20mm。步骤6中压片载荷为2-10Mpa。本专利技术的有益效果是，本专利技术碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法，具有以下特点：(1)绿色环保：本专利技术通过将单质硫气化后在碳凝胶内部凝结实现负载硫，无需热源加热，无废弃物产生；(2)负硫高效均匀：负硫前将碳凝胶内部空气排出，更有利于气相硫进入碳凝胶的多级孔道结构中，充分发挥碳凝胶材料的结构优势，另一方面由于气相硫冷却速度快，凝固后硫颗粒粒径细小，能够分布在碳凝胶微观结构的空隙中，从而优化碳凝胶负载硫的均匀程度，通过本次专利技术的碳凝胶材料负硫方法获得的硫碳复合材料作为锂硫电池正极材料，获得了优良的电化学性能；(3)工艺简便可控：本专利技术负载方法简单，通过控制推拉次数就可以调节碳凝胶材料的载硫量，另外本方法易于扩大、自动化，若能提供源源不断的硫源和连续更换的碳凝胶材料即可实现自动化连续批量生产。(4)正极片制备工艺简单，碳凝胶为导电框架，负硫工艺简单，省去了传统电极的金属集流体和粘接剂，提高了活性物质负载率，节省了集流体、导电剂及粘结剂所占据的正极极片体积，从而提高了电极的能量密度。综上所述，本专利技术提出了一种简便易操作、易于自动化的碳凝胶材料负载单质硫的方法，且获得的硫碳复合材料具有载硫量高、硫单质分布均匀的特性，所制备的碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料表现出优异的电化学性能。附图说明图1为本专利技术碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法工艺示意图；图2为实施例1所制备碳凝胶材料的扫描电镜图；图3为实施例1所制备碳凝胶材料的透射电镜图；图4为实施例1所制备碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料所组电池在室温0.1C倍率下的充放电测试曲线，其中横坐标为放电比容量，单位为mAh/g，纵坐标为电压，单位为V；图5为实施例1所制备碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料所组电池在室温下0.1C倍率下的循环性能曲线，其中横坐标为循环次数，纵坐标为放电比容量，单位为mAh/g。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法，具体工艺如图1所示，具体按照以下步骤实施：步骤1，将单质硫放入活塞密封气缸底部，单质硫上部叠放碳凝胶材料，装入活塞；碳凝胶材料与单质易升华物质的质量比为1：4-5；步骤2，排出气缸内及碳凝胶材料中的空气，然后通过气缸出口通入惰性气体(惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气或氙气中的一种或多种混合物)，直至气缸内惰性气体压缩比为2-10；步骤3，密封气缸出口，以推压速度为0.2-1m/s快速推压活塞，气缸内的惰性气体由于骤然压缩而升温，致使硫单质受热升华，并在活塞压力下进入碳凝胶材料的孔道之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳凝胶负载硫‑锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，将单质硫放入活塞密封气缸底部，单质硫上部叠放碳凝胶材料，装入活塞；步骤2，排出气缸内及碳凝胶材料中的空气，然后通过气缸出口通入惰性气体；步骤3，密封气缸出口，快速推压活塞，气缸内的惰性气体由于骤然压缩而升温，致使单质硫受热升华，并在活塞压力下进入碳凝胶材料的孔道之中；步骤4，快速抽拉活塞至碳凝胶材料初始长度，惰性气体因体积膨胀温度下降，随着温度的下降，硫蒸汽凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在碳凝胶材料的孔道中；步骤5，重复2‑4步操作，即获得高硫负载量的碳凝胶材料；步骤6，将步骤5得到的高硫负载量的碳凝胶材料冷却后，依次经过切片、压片，得到碳凝胶负载硫‑锂硫电池正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，将单质硫放入活塞密封气缸底部，单质硫上部叠放碳凝胶材料，装入活塞；步骤2，排出气缸内及碳凝胶材料中的空气，然后通过气缸出口通入惰性气体；步骤3，密封气缸出口，快速推压活塞，气缸内的惰性气体由于骤然压缩而升温，致使单质硫受热升华，并在活塞压力下进入碳凝胶材料的孔道之中；步骤4，快速抽拉活塞至碳凝胶材料初始长度，惰性气体因体积膨胀温度下降，随着温度的下降，硫蒸汽凝结形成纳米级颗粒，并均匀分散在碳凝胶材料的孔道中；步骤5，重复2-4步操作，即获得高硫负载量的碳凝胶材料；步骤6，将步骤5得到的高硫负载量的碳凝胶材料冷却后，依次经过切片、压片，得到碳凝胶负载硫-锂硫电池正极材料。2.根据权利要求1所述的碳凝胶负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：燕映霖，秦海超，王岩，杨蓉，许云华，任冰，陈利萍，李巧乐，史忙忙，魏一奇，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61