一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料及其制备方法。本发明专利技术提供的锂硫电极材料为磷化镍、碳布和硫单质形成的复合材料。所述制备方法为利用化学浴沉积、硫单质复合和低温磷化反应制备具有多孔结构的Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料。这种自生长活性物质的方法避免了粘结剂的使用，以使活性物质和基底之间直接接触以降低电极内阻。多孔结构的Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料能有效的对硫进行包覆，起到很好的固硫作用，同时低温磷化制备的自支撑Ni2P和CC二者产生的协同效应有效地提高了活性物质的利用率，进而提高了锂硫电池的比容量和循环稳定性，在0.1C下电池的首次充放电比容量达1100mAh/g。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料及其制备方法
本专利技术属于电化学电池
，具体涉及一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料及其制备方法。
技术介绍
锂硫电池具有巨大理论容量和能量密度优势，但在实际应用中还存在如下问题:第一为硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10－30S·cm－1)。目前通常向其中添加导电物质来构建导电复合正极，但导电剂的添加会削弱其高能量密度的优势，须寻找高导电、易三维化的物质来构建高效导电网络，减少导电剂的添加量，提高活性硫材料在电池中的比重，提高体系的能量密度。第二为锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中，溶解的多硫化物会跨越隔膜扩散到负极，与负极反应，破坏了负极的固体电解质界面膜(SEI膜)。后续迁移的高阶多硫化物会和负极表面的硫化锂反应形成低阶多硫化物，在浓度梯度的驱动下迁移回正极，造成硫材料在正负极之间的循环穿梭。多硫化物的溶解有利于硫材料的充分反应，提高硫材料的利用效率，但也造成了额外的化学反应和传递过程耦合。如果能够对多硫化物的迁移和穿梭效应进行有效的调变甚至是彻底抑制，则有望大幅度提高电池材料的容量和循环稳定性。第三为锂硫电池的最终放电产物Li2Sn(n=1～2)电子绝缘且不溶于电解液，沉积在导电骨架的表面;部分硫化锂脱离导电骨架，无法通过可逆的充电过程反应变成硫或者是高阶的多硫化物，造成了容量的极大衰减。第四为硫和硫化锂的密度分别为2.07和1.66gcm-3，在充放电过程中有高达79%的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致正极形貌和结构的改变，导致硫与导电骨架的脱离，从而造成容量的衰减。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料及其制备方法。利用化学浴沉积、硫单质复合和低温磷化反应制备具有多孔结构的Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料的制备工艺。一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料，其特征在于：它是由磷化镍、碳布和硫单质形成的复合材料，碳布作为多孔集流体柔性基底，磷化镍原位排布在碳布上，硫单质均匀的嵌入多孔碳布和磷化镍之中，通过化学浴沉积、硫单质复合和低温磷化反应制得磷化镍/硫/碳布自支撑柔性电极材料，记为Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料。上述锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料的制备方法包括以下步骤：步骤一：Ni(OH)2/CC前驱物电极材料的制备：分别配置硫酸镍溶液和过硫酸钠溶液，并将两种溶液混合，加入蒸馏水稀释后，在搅拌的同时加入氨水，得到化学浴沉积液，将碳布放入化学浴沉积液中，在碳布上原位生长Ni(OH)2，反应一段时间后取出干燥，得到氢氧化镍/碳布前驱物电极材料，记为Ni(OH)2/CC前驱物电极材料；步骤二：Ni(OH)2/S/CC前驱物电极材料的制备:将步骤（1）制备的Ni(OH)2/CC前驱物电极材料浸入纳米硫磺溶液，浸泡一段时间后取出干燥，得到Ni(OH)2/S/CC前驱体电极材料；步骤三：Ni2P/S/CC电极材料的制备：将步骤（2）制备的Ni(OH)2/S/CC电极材料和次磷酸钠放置在管式炉中。在惰性气体的保护下低温磷化，即获得Ni2P/S/CC电极材料。所述步骤一的碳布需要按照丙酮、盐酸、酒精的顺序分别超声清洗20min，清洗后的碳布在70℃的鼓风干燥箱中干燥，随后将碳布取出放置在等离子清洗机中，在O2的气氛下100Pa真空度下以600-1000W的功率，分别在碳布的双面处理3-6min。进一步地，步骤一中所述的化学浴沉积液中硫酸镍溶液的浓度为1-2mol/L，过硫酸钠溶液的浓度为0.25-0.5mol/L。进一步地，步骤一中碳布放入化学浴沉积液中反应30-60min后取出，取出后在40℃下鼓风干燥。进一步地，步骤二所述的Ni(OH)2/CC前驱物电极材料浸入质量分数为10%的纳米硫磺溶液，浸泡30-60min后取出，取出后在60℃下鼓风干燥。进一步地，步骤三所述惰性气体为氩气，所述低温磷化反应温度为300℃，反应时间为2-4h。本专利技术的有益效果如下：与现有技术相比，本专利技术方法具有如下突出的实质性特点：（1）本专利技术的设计过程中，充分考虑了锂硫电池正极材料中硫基复合材料的结构问题，采用了化学浴沉积与低温磷化反应获得的具有多孔结构的Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料来改性锂硫电池，这种自生长活性物质的方法避免了粘结剂的使用，以使活性物质和基底之间直接接触以降低电极内阻。（2）本专利技术的设计过程中，为了解决现有锂硫电池正极材料中活性物质负载量少及活性物质利用率低的问题，创新性地提出了用具有协同效应、多孔结构的Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料来做正极新型材料。其中碳布作为导电基底使材料在空间上形成三维多孔结构，可以迅速的将电荷传递向外电路，同时能有效的对硫进行包覆，起到很好的固硫作用。并且Ni2P作为一种过渡金属磷化物，具有高的催化活性，其（100）表面暴露更多的Ni和P两种活性位点，因此也表现出了优秀的电化学活性，同时Ni2P具有高的电导率和较低的极化过电位及较低的体积膨胀率，因此提高了电子在活性材料之间的传输速率，缓解了充放电过程中产生的体积变化。因此，本专利技术所制备的锂硫电池正极材料有效抑制了多硫化锂的溶解，比容量和循环稳定性得到显著提高。（3）本专利技术方法所制备的多孔Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料组成的锂硫电池，在0.1C下电池的首次充放电比容量达1100mAh/g，具有高的放电容量和卓越的循环稳定性。（4）本专利技术是一种具备高产量与工业可行性特点的锂硫电池正极材料及其制备方法。附图说明图1为实施例1所制得的多孔Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料的扫描图。图2为实施例1所制得的多孔Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料的电化学充放电曲线。图3为实施例1所制得的多孔Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料的倍率性能图。图4为对比例所制得的S/CC自支撑柔性电极材料的电化学充放电曲线。具体实施方式为了便于本领域技术人员理解，通过下面的实施例与附图作进一步详细描述，公开本专利技术的目的旨在保护本专利技术范围内的一切变化和改进，本专利技术并不局限下面的实施例。具体实施方式：（1）将碳布裁剪至4cm*4cm大小的方形，并按照丙酮、盐酸、酒精的顺序分别超声清洗20min，清洗后的碳布在70℃的鼓风干燥箱中干燥，随后将碳布取出放置在等离子清洗机中，在O2的气氛下100Pa真空度下以600-1000W的功率，分别在碳布的双面处理3-6min，得到清洁后的碳布；然后分别配置40mL的1-2mol/L的硫酸镍溶液和30mL的0.25-0.5mol/L的过硫酸钠溶液混合后，加入20mL蒸馏水稀释后，在磁力搅拌的同时加入10ml的氨水，待混合均匀后加入清洁后的碳布，反应30-60min后取出，将取出后的碳布在40℃下鼓风干燥，得到Ni(OH)2/CC前驱物电极材料。（2）将步骤（1）的Ni(OH)2/CC前驱物电极材料浸入10mL质量分数为10%纳米硫磺溶液中，浸泡30-60min后取出，取出后在60℃下鼓风干燥，得到Ni(OH)2/S/CC前驱体电极材料。（3）称取0.1-1g的NaH2PO2与Ni(OH)2/S/CC电极材料分别放置在磁舟的两侧，并将磁舟放置在管式炉中。随后磁舟在氩气的保护气氛下300℃反应2-4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料，其特征在于：它是由磷化镍、碳布和硫单质形成的复合材料，碳布作为多孔集流体柔性基底，磷化镍原位排布在碳布上，硫单质均匀的嵌入多孔碳布和磷化镍之中，通过化学浴沉积、硫单质复合和低温磷化反应制得磷化镍/硫/碳布自支撑柔性电极材料，记为Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料，其特征在于：它是由磷化镍、碳布和硫单质形成的复合材料，碳布作为多孔集流体柔性基底，磷化镍原位排布在碳布上，硫单质均匀的嵌入多孔碳布和磷化镍之中，通过化学浴沉积、硫单质复合和低温磷化反应制得磷化镍/硫/碳布自支撑柔性电极材料，记为Ni2P/S/CC自支撑柔性电极材料。2.制备权利要求1所述的一种锂硫电池多孔自支撑柔性电极材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：Ni(OH)2/CC前驱物电极材料的制备：分别配置硫酸镍溶液和过硫酸钠溶液，并将两种溶液混合，加入蒸馏水稀释后，在搅拌的同时加入氨水，得到化学浴沉积液，将碳布放入化学浴沉积液中，在碳布上原位生长Ni(OH)2，反应一段时间后取出干燥，得到氢氧化镍/碳布前驱物电极材料，记为Ni(OH)2/CC前驱物电极材料；步骤二：Ni(OH)2/S/CC前驱物电极材料的制备:将步骤一制备的Ni(OH)2/CC前驱物电极材料浸入纳米硫磺溶液，浸泡一段时间后取出干燥，得到Ni(OH)2/S/CC前驱体电极材料；步骤三：Ni2P/S/CC电极材料的制备：将步骤二制...

【专利技术属性】
技术研发人员：钊妍，崔国梁，
申请(专利权)人：肇庆市华师大光电产业研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44