本发明专利技术提供了一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备方法：将碳管与石墨烯以质量比2:1在乙醇中超声分散均匀，烘干；取适量该复合材料与硫单质混合，加入CS2充分搅拌之后烘干制得碳管石墨烯载硫复合材料；将其与炭黑、聚偏氟乙烯按一定质量比混合，然后加入NMP，以及合金，搅拌并超声分散均匀，控制粘度，得到浆料，将所得浆料以150～400mm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40～60℃烘箱内烘干，即得合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料；本发明专利技术制得的金属合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料用于锂硫电池中，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。
【技术实现步骤摘要】
金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料及其制备方法与应用
本专利技术属于纳米复合材料研究领域，特别涉及一种金属合金/碳管/石墨烯复合正极材料及其制备方法与应用。
技术介绍
随着社会科技和经济的高速发展，储能成为了许多创新技术的关键，电池技术在电动汽车等新兴概念的推动下取得了巨大进步，各种机制的电池得到开发，但是锂硫电池却是下一代储能技术中最具有潜力的，因为锂离子电池自1991年商业化以来，经过20多年的发展，传统锂离子电池的正负极材料的性能均已接近其理论极限，但面对越来越庞大的储能系统仍不尽人意。而锂硫电池却具有很多优势，它的理论比容量为1675mAh·g-1，是传统锂离子电池的10倍，并且硫的储量丰富，价格低廉，低毒无公害。但是，锂硫电池中硫的绝缘性、多硫化物的穿梭效应、化学反应动力学过程缓慢等原因，成为了锂硫电池在商业应用过程中的阻碍。过去十年中，科研工作者深入研究了如何抑制多硫化物的穿梭效应，主要是通过物理吸附将硫限制在各种多孔碳材料中，但是这种电极材料的活性物质负载量低，对多硫化物的吸附能力有限，所以对提高电池性能收效甚微。最近，人们将电催化方法应用到锂硫电池中，利用Au、Pt等贵金属最为催化剂加快反应动力学同时抑制多硫化物的穿梭效应。这种方法效果显著但是成本高昂，无法实现商用。为了解决这些问题，实现其大规模的使用，必须研究开发成本低廉的催化材料和简便成本较低的制备方法来提高锂硫电池的电化学性能，从而提升锂硫电池的实际应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备方法，该方法操作简单，不涉及高温高压，室温下即可完成，易于大规模生产。本专利技术的第二个目的是提供一种通过上述方法制得的金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料，该材料改善了硫锂电池正极的导电性和多硫化物的穿梭效应等问题，展现出了优异的循环稳定性。本专利技术的第三个目的是提供了一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料在锂硫电池中的应用，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种金属合金/碳管/石墨烯的载硫复合正极材料，其具体制备方法为：(1)碳管/石墨烯复合材料的制备：将碳管与石墨烯以质量比2:1的比例在乙醇溶剂中超声分散均匀，烘干；(2)碳管/石墨烯复合材料与硫复合材料的制备：将步骤(1)所得复合材料与单质硫按质量比1：1～4混合，研磨均匀后以料液质量比(即碳管石墨烯复合材料及单质硫质量之和与CS2的质量之比)1：10～15加入CS2中搅拌，然后置于10～30℃下至CS2挥发完全后，剩余物质于120～160℃烘箱中保温8～12h，之后冷却至室温，即得碳管石墨烯载硫复合材料；(3)金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备：将步骤(2)所得复合材料与炭黑(导电添加剂)、聚偏氟乙烯(粘结剂)按质量比1：0.05～0.25：0.05～0.15混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)，以及合金(合金与炭黑的质量比为1:0.03～0.05)，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000～10000cps，得到浆料，将所得浆料以150～400mm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40～60℃烘箱内烘干，即得合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料；所述集流体铝箔的厚度为30um，在使用前用N-甲基吡咯烷酮(NMP)和酒精清洗，以除去表面氧化层和杂质，自然风干后备用。所述的金属合金试剂为镍铝合金、镍铜合金、镍钛合金或铁钴镍合金等对多硫化物具有催化能力的试剂。本专利技术的有益效果在于：(1)采用金属合金作为多硫化物的催化剂相较贵金属催化剂成本较低；(2)制备的金属合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料，能够额外提供电子/离子传导途径，降低电池内阻，很大程度上提高了电池的放电容量和循环稳定性能；(3)含金属合金的复合正极材料能催化多硫化物加快化学反应动力学，从而抑制穿梭效应，提高锂硫电池性能；综上所述，一方面，本专利技术提供了合金碳管石墨烯载硫复合正极材料的制备方法，操作简单，不涉及高温高压，室温下即可完成，易于大规模生产；另一方面，将制得的该复合正极材料用于锂硫电池中，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。附图说明图1本专利技术实施例1制得的镍铝合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料用于锂硫电池与两种不含镍铝合金材料的锂硫电池在0.2C下的充放电平台对比图；图2本专利技术实施例2制得的镍铜合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料用于锂硫电池与两种不含镍铜合金材料的锂硫电池的倍率性能对比图；图3本专利技术实施例3制得的镍钛合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料用于锂硫电池时的高面密度循环性能图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。实施例1镍铝合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料的制备及在锂硫电池中应用(1)碳管/石墨烯复合材料的制备：用电子天平分别称取200mg商用碳管和100mg石墨烯置于干净的烧杯中，加入50mL无水乙醇，保鲜膜封口，超声分散1h，置于80℃烘箱中烘干备用；(2)碳管/石墨烯载硫复合材料的制备：取200mg上述所得的碳管石墨烯复合材料与200mg单质硫于研钵，将多孔碳和硫充分研磨均匀，将所得混合物转移至25ml称量瓶内，并加入3.2mLCS2充分搅拌，待CS2挥发完全，将混合物转移至120℃烘箱保温12h，之后冷却至室温，收集所得产物即得碳管石墨烯载硫复合材料；(3)镍铝合金碳管石墨烯载硫复合正极材料的制备：将碳管石墨烯载硫复合材料300mg与导电添加剂炭黑15mg、粘接剂聚偏氟乙烯15mg、0.5mg镍铝合金混合，然后加入2.5mLNMP并超声分散、充分搅拌，控制好浆料的粘度在10000cps，随后以150mm的厚度用刮刀涂覆在集流体铝箔上(铝箔用NMP和酒精清洗两遍，以除去表面氧化层和杂质，自然风干，铝箔厚度为30um)。然后将铝箔转移至40℃烘箱内，烘干，即得到所需正极材料；(4)电池的组装：将步骤(3)制得的复合电极材料，经双辊机滚压密实以后，切成直径为14mm的圆形片，在干燥的环境下称重，并扣除空白铝片质量，制成正极极片，待用。作为对照实验，不含合金的碳管石墨烯载硫复合正极材料也按同样方法制成对照正极极片待用；在充满氩气，水和氧气含量均小于lppm的手套箱中进行电池的组装。以商业金属锂片为参比电极和对电极，采用双三氟甲烷磺酰亚胺锂/1,3-二氧戊环(DOL)，乙二醇二甲醚(DME)[LiTFSI/DOL.DMC](1：1)且溶有1％LiNO3的液态电解液，隔膜采用Celgard2400，组装成CR2025纽扣电池以后，静置24h，然后进行充放电测试；(5)新威电池测试系统在不同倍率下进行电池充放电测试，测试条件为室温环境，窗口起始电压为1.5V，终止电压为3.0V；图1为本实施例制得的镍铝合金碳管石墨烯载硫复合正极材料用于锂硫电池与没有添加镍铝合金的锂硫电池在0.2C下的充放电平台对比图，从图中可以看出，具有镍铝合金的碳管石墨烯载硫复合材料的锂硫电本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳管/石墨烯复合材料的制备：将碳管与石墨烯以质量比2:1的在乙醇溶剂中超声分散均匀，烘干；(2)碳管/石墨烯复合材料与硫复合材料的制备：将步骤(1)所得复合材料与单质硫按质量比1：1～4混合，研磨均匀后以料液质量比1：10～15加入CS2中搅拌，然后置于10～30℃下至CS2挥发完全后，剩余物质于120～160℃烘箱中保温8～12h，之后冷却至室温，即得碳管石墨烯载硫复合材料；(3)合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备：将步骤(2)所得复合材料与炭黑、聚偏氟乙烯按质量比1：0.05～0.25：0.05～0.15混合，然后加入N‑甲基吡咯烷酮，以及合金，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000～10000cps，得到浆料，将所得浆料以150～400mm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40～60℃烘箱内烘干，即得合金与碳管石墨烯载硫复合正极材料。
【技术特征摘要】
1.一种金属合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)碳管/石墨烯复合材料的制备：将碳管与石墨烯以质量比2:1的在乙醇溶剂中超声分散均匀，烘干；(2)碳管/石墨烯复合材料与硫复合材料的制备：将步骤(1)所得复合材料与单质硫按质量比1：1～4混合，研磨均匀后以料液质量比1：10～15加入CS2中搅拌，然后置于10～30℃下至CS2挥发完全后，剩余物质于120～160℃烘箱中保温8～12h，之后冷却至室温，即得碳管石墨烯载硫复合材料；(3)合金/碳管/石墨烯载硫复合正极材料的制备：将步骤(2)所得复合材料与炭黑、聚偏氟乙烯按质量比1：0.05～0.25：0.05～0.15混合，然后加入N-甲基吡咯烷酮，以及合金，搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000～10000cps，得到浆料，将所得浆料以150～400mm的厚度均匀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40～60℃烘箱内烘干，即...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨植，郭泽青，聂华贵，化五星，阮春平，黄少铭，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。