一种铁、镍掺杂活性炭‑硫材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种铁、镍掺杂活性炭‑硫材料，由无机镍盐、无机铁盐和活性炭和硫为原料，通过水热法、液相原位复合法和熔融法活化获得。其制备方法包括以下步骤：1）水热法制备铁、镍掺杂活性炭粉末；2）液相原位复合法制备未经活化的铁、镍掺杂活性炭‑硫材料；3）铁、镍掺杂活性炭‑硫材料的活化。作为锂硫电池正极的应用，当电流密度为167.5 mA/cm

A kind of iron and nickel doped activated carbon sulfur material and preparation method and application thereof

The invention discloses an iron nickel doped activated carbon materials composed of inorganic sulfur, nickel salt, inorganic salt and activated carbon and sulfur as raw material, compound method and melting method by hydrothermal method, liquid phase activation obtained in situ. The preparation method comprises the following steps: 1) hydrothermal synthesis of Fe and Ni doped activated carbon powder; 2) liquid phase in-situ preparation without activation of iron and nickel doped activated carbon sulfur materials; 3) activation of Fe and Ni doped activated carbon sulfur materials. As an application of cathode of lithium sulfur battery, when the current density is 167.5 mA/cm

【技术实现步骤摘要】
一种铁、镍掺杂活性炭-硫材料及其制备方法和应用
本专利技术属于电池
，具体是一种铁、镍掺杂活性炭-硫材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着社会发展，人类对于能源的需求逐渐增大。然而随着对煤、石油、天然气等化石燃料资源近200年的持续加速开采，资源己逐步趋于耗竭。因此，能源问题和环境问题成为全球关注并迫切需要解决的问题。发展具有高能量、高密度、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义。锂硫电池是二次电池体系中具有较高能量密度的一种，采用单质硫或含硫材料作为正极活性物质，其理论能量密度达2600Wh/kg，且具有硫资源丰富、环境友好、价格便宜等优点。高硫含量的锂硫电池具有高的容量密度和能量密度有利于电动汽车的需求，能够实现克服锂离子电池能量密度不能满足电动汽车的技术问题。活性碳是最早被用作与硫复合的多孔碳材料。早在2002年，Wang等就将熔融的硫用分布步热处理的方式渗入到活性碳的孔结构中（文献1：JWang，LLiu，ZLing，etal.Polymerlithiumcellswithsulfurcompositesascathodematerials[J].ElectrochimicaActa，2003，48:1861-1867.），0.3Acm-1电流密度下，硫含量为30wt%时，首次比容量为800mAhg-1，25次循环后比容量保持在440mAhg-1，但当硫含量为60.9wt%时，首次比容量只有180mAhg-1。该材料存在以下问题：（1）正极材料的载硫量较低；（2）：且当载硫量大于50%时比容量很低。吴峰等采用优化工艺合成了高比表面积和多微孔结构的活性炭（文献2：FWu，SXWu，RJChen，etal.Electrochemicalperformanceofsulfurcompositematerialsforrechargeablelithiumbatteries[J].ChineseChemicalLetters，2009，20:1255-1258.），通过加热的方法使单质硫升华并沉积到活性炭微孔中，得到的碳硫复合材料含硫量49%，100mAg-1，电流密度下，首次放电比容量高达1180.8mAhg-1，循环60周后比容量还保持在720.4mAhg-1。该材料存在的缺点是（1）：电流密度较低；（2）：且载硫量没有超过50%。Song等采用溶胶凝胶法制备纳米Mg0.6Ni0.40颗粒作为硫正极的添加剂抑制多硫化物在电解液的溶解和促进氧化还原反应（文献3：Min-SangSong，Sang-CheolHan，Hyun-SeokKim，Jin-HoKim，Ki-TaeKim，Yong-MookKang，Hyo-JunAhn，S.X.Dou，Jai-YoungLee.EffectsofnanosizedadsorbingmaterialonelectrochemicalpropertiesofsulfurcathodesforLi/Ssecondbatteries.JournaloftheElectrochemicalSociety.2004，151(6):A791-A795）。该材料存在的缺点是（1）：溶胶凝胶法中金属醇盐成本较高；（2）：自蔓延高温合成法存在反应过程不易控制等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种铁、镍掺杂活性炭-硫材料，解决锂硫电池存在的以下技术问题：一、单质硫在室温下为电子和离子绝缘体的问题；二、正极载硫量不超过50%的问题；三、硫在电化学还原的中间产物多硫化物易溶解于有机电解液造成比容量及巨衰减的问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：铁、镍掺杂活性炭-硫材料，由一定质量比的无机镍盐、无机铁盐和活性炭和硫为原料，以质量比为（1-1.1）:1:（6-7）:（13-14），通过水热法制得铁、镍掺杂活性炭粉末，再通过液相原位复合法得到未经活化的铁、镍掺杂活性炭-硫材料，最后用熔融法活化获得铁、镍掺杂活性炭-硫材料，其中，所述无机镍盐为Ni(NO3)2.6H2O，无机铁盐为Fe(NO3)3.9H2O，所得材料的硫含量为60~70%。铁、镍掺杂活性炭-硫正极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1）水热法制备铁、镍掺杂活性炭粉末，以无机镍盐、无机铁盐和活性炭的质量比为（1-1.1）:1:（6-7）放入烧杯中配置成溶液，再加入N,N-二甲基甲酰胺，进行超声分散得到均匀混合的溶液，转移至反应釜中，在120~160℃条件下反应，然后冷却至室温，洗涤后干燥，得到铁、镍掺杂活性炭粉末；步骤2）液相原位复合法制备未经活化的铁、镍掺杂活性炭-硫材料，以硫与步骤1）的活性炭的质量比为（13-14）:（6-7），将硫溶于硫化钠水溶液中，得到多硫化钠的水溶液，然后将步骤1）所得铁、镍掺杂活性炭粉末加入多硫化钠的水溶液，直至碳材料与溶液混合均匀，将稀盐酸溶液以1~2滴/秒的速率缓慢滴加入混合均匀的溶液中，滴加完毕后的反应时间为1~3h，待反应完全后，将得到分散均匀的悬浊液，然后过滤、干燥得到铁、镍掺杂活性炭-硫材料；步骤3）铁、镍掺杂活性炭-硫材料的活化，将步骤2）得到的未经活化的铁、镍掺杂活性炭-硫材料，在155℃下保温3～5h，继续升温至290℃保温30~60分钟条件下热处理得到铁、镍掺杂活性炭-硫材料。铁、镍掺杂活性炭-硫正极材料作为锂硫电池正极的应用，当电流密度为167.5mA/cm2时，首次放电比容量为1000~1100mAh/g，经100次循环后，比容量衰减至500~550mAh/g，为首次放电的50%，平均每次衰减率为0.5%。本专利技术相对于现有技术，具有以下优点：1、本专利技术材料经实验证明，硫含量大幅提高，可达60~70%，放电比容量也大幅提高，在167.5mA/g电流密度下，可达1000mAh/g-1100mAh/g，循环性能亦大幅提高，循环充放电100次后，放电比容量为500mAh/g-600mAh/g，库伦效率较稳定接近100%，具有较好的循环性能；2、本专利技术材料通过铁、镍掺杂成功抑制部分多硫化物的溶解，提高其电化学循环性能；3、本专利技术制备的铁、镍掺杂活性炭-硫复合材料成分很均匀，硫可以充分的进入到活性炭内部，复合的非常均匀。从而抑制电极的活性物质逐渐减少现象的发生，还有效抑制由于穿梭效应导致的溶解的多硫化物穿过隔膜到达电池的负极锂片上引起的负极腐蚀和电池内阻的增加的现象发生，进而提高锂硫电池的循环性能，降低电池容量衰减的速度；4、本专利技术用活性炭作为载体成本低、安全性能好、重复性高、生产效率高且可以大规模商业化生产。附图说明：图1铁、镍掺杂活性炭-硫的热重曲线；图2为活性炭、升华硫、铁镍掺杂活性炭-硫的XRD曲线；图3为所制备的锂硫电池测试循环容量曲线图。具体实施方式本专利技术通过实施例，结合说明书附图对本
技术实现思路
作进一步详细说明，但不是对本专利技术的限定。实施例一种铁、镍掺杂活性炭-硫正极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1）水热法制备铁、镍掺杂活性炭粉末，分别量取8mL0.1molL-1Ni(NO3)2、Fe(NO3)3溶液和称量0.2g活性炭放入烧杯中，再加入50mLN,N-二甲基甲酰胺（DMF），进行超声分散30分钟得到均匀混合的溶液，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁、镍掺杂活性炭‑硫材料，其特征在于：由一定质量比的无机镍盐、无机铁盐和活性炭和硫为原料，通过水热法制得铁、镍掺杂活性炭粉末，再通过液相原位复合法得到未经活化的铁、镍掺杂活性炭‑硫材料，最后用熔融法活化获得铁、镍掺杂活性炭‑硫材料。

【技术特征摘要】
1.一种铁、镍掺杂活性炭-硫材料，其特征在于：由一定质量比的无机镍盐、无机铁盐和活性炭和硫为原料，通过水热法制得铁、镍掺杂活性炭粉末，再通过液相原位复合法得到未经活化的铁、镍掺杂活性炭-硫材料，最后用熔融法活化获得铁、镍掺杂活性炭-硫材料。2.根据权利要求1所述的铁、镍掺杂活性炭-硫正极材料，其特征在于：所述无机镍盐、无机铁盐、活性炭和硫的质量比为（1-1.1）:1:（6-7）:（13-14）。3.根据权利要求1所述的铁、镍掺杂活性炭-硫正极材料，其特征在于：所述无机镍盐为Ni(NO3)2.6H2O，无机铁盐为Fe(NO3)3.9H2O。4.根据权利要求1所述的铁、镍掺杂活性炭-硫正极材料，其特征在于：所述铁、镍掺杂活性炭-硫材料的硫含量为60~70%。5.根据权利要求1所述铁、镍掺杂活性炭-硫正极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）水热法制备铁、镍掺杂活性炭粉末，以一定质量比，将无机镍盐、无机铁盐和活性炭放入烧杯中配置成溶液，再加入N,N-二甲基甲酰胺，进行超声分散得到均匀混合的溶液，转移至反应釜中，在一定条件下反应，然后冷却至室温，洗涤后干燥，得到铁、镍掺杂活性炭粉末；步骤2）液相原位复合法制备未经活化的铁、镍掺杂活性炭-硫材料，将一定量的硫溶于硫化钠水溶液中，得到多硫化钠的水溶液，然后将步骤1）所得铁、镍掺杂活性炭粉末加入多硫化钠...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立贤，程日光，徐芬，周密，吴廷焕，张晨晨，陆常建，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45