一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法技术

一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法，它涉及一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法。本发明专利技术要解决现有方法制备的锂硫电池循环寿命低，穿梭效应严重的问题。本发明专利技术的方法如下：一、制备ZnO@CeO2核壳材料；二、制备ZnO@CeO2/多孔生物质碳前驱体；三、ZnO@CeO2/多孔生物质碳热处理；四、CeO2/多孔生物质碳前处理；五、制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳；六、电池组装。本发明专利技术的方法制备的正极材料S/CeO2/多孔生物质碳组装的锂硫电池在0.5C下循环165圈，平均库伦效率达到了98.2%，不仅大大节省了生产成本，还具有操作简单、周期短等特征，非常适合大规模制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳。本发明专利技术应用于锂硫电池领域。本发明专利技术应用于锂硫电池领域。本发明专利技术应用于锂硫电池领域。

【技术实现步骤摘要】
一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法


[0001]本专利技术涉及一种制备锂硫电池正极材料的方法。

技术介绍

[0002]在当今21世纪，随着人类社会的不断发展，便携式电子设备、电动汽车和可再生能源的需求日益增长，这就要求储能设备具有更低的成本、更高的能量密度和更长的循环寿命。由于锂硫电池具有高理论比容量(1675mAh
·
g-1
)和高理论能量密度(2600Wh
·
kg-1
)，因此将硫正极与锂负极耦合在一起的锂硫电池被认为是最有前途的候选电池。然而，锂硫电池实际应用中具有穿梭效应，体积膨胀，S导电性差等特点导致其容量衰减快、倍率性能差、实际能量密度低、循环寿命低限制了其广泛应用。在过去的几十年里，为了开发性能稳定、能量密度高的先进锂硫电池，人们付出了巨大的努力，包括开发新的硫主体材料，优化电解液配方，以及构建坚固的电极/电池架构。事实上，人们发现核壳材料应用于锂硫电池正极材料并且掺杂进金属氧化物能有效抑制其穿梭效应，提高锂硫电池循环寿命。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了解决现有方法制备锂硫电池正极材料循环寿命低，穿梭效应严重的问题，而提供了一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法。
[0004]本专利技术的一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法是按照以下步骤进行的：
[0005]一、制备ZnO@CeO2核壳材料将锌源，铈源按照一定比例，加入去离子水中搅拌溶解，在60～80℃下水浴加热，直至搅干，将搅干的粉末在600～700℃下，于空气中煅烧2～3h，取出研磨30min后，即得ZnO@CeO2核壳材料；
[0006]二、制备ZnO@CeO2/多孔生物质碳前驱体将步骤一得到的ZnO@CeO2核壳材料与纤维素按照1：1～1：2混合均匀，加入5～6mL有机溶剂，搅拌20～24h，采用浇铸法将搅匀的溶液浇铸在干净的玻璃板上，并置于真空干燥箱中，真空条件下，在80～100℃下，干燥1～2h，直至成膜，取出待用，即得ZnO@CeO2/多孔生物质碳前驱体；
[0007]三、ZnO@CeO2/多孔生物质碳热处理将步骤二得到的ZnO@CeO2/多孔生物质碳前驱体在700～800℃下，N2气保护的条件下，热处理3～4h；
[0008]四、CeO2/多孔生物质碳前处理将步骤三得到的ZnO@CeO2/多孔生物质碳放入NaOH溶液中，超声30min，静置12h，对上述混合液进行抽滤，用去离子水洗涤5～6次，将CeO2/多孔生物质碳置于烘箱中干燥12～14h，烘箱温度为60～80℃；
[0009]五、制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳
将步骤四得到的CeO2/多孔生物质碳与单质硫按照质量比1：7～3：7，于研钵中研磨1～2h，于150～160℃下熔融扩散12～14h，再升温至290～300℃保温1～2h，冷却至室温后，将正极活性材料S/CeO2/多孔生物质碳与乙炔黑、聚偏氟乙烯按照质量比8：1：1，分散于有机溶剂中，搅拌12h，得到均匀的浆料，将得到的浆料用刮涂机均匀的刮在铝箔上，置于真空干燥箱中干燥，干燥温度为60～80℃，干燥时间为12～14h，取出切片，即得锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳；
[0010]六、电池组装依次将负极壳，步骤五得到的锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳、Celgard2500隔膜、有机电解液、锂片、正极壳于真空手套箱中，氦气气氛保护下组装成纽扣电池，即完成电池组装，取出用于后续电化学性能测试；
[0011]其中，步骤二所述的有机溶剂为二甲基甲酰胺；
[0012]步骤五所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
[0013]本专利技术包含以下有益效果：本专利技术先通过Ce(NO)3·
6H2O包覆ZnO，再通过在O2气氛围下，得到ZnO@CeO2核壳材料，再与生物质碳掺杂，随后通过NaOH溶液除去内核ZnO，制备得到了中空CeO2材料，重点考察锂硫电池正极材料S/CeO2/生物质碳对锂硫电池穿梭效应，循环寿命的影响，本专利技术一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法所制备的正极材料在锂硫电池中0.5C下循环165圈，库伦效率达到了98.2％，为获得高循环寿命的锂硫电池开辟新途径。
[0014]本专利技术一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法不但大大节省了生产成本，还具有安全、工艺简单等特征，非常适合大规模制备。
[0015]核壳材料在锂硫电池正极材料应用中，提供了更多的活性位点，更有利于负载单质硫，增强了活性物质与电极材料之间的电子转移，从而提高锂硫电池的性能。另外，核壳材料的内部空间更有利于缓解锂硫电池电极体积膨胀的问题，有效减少了由于电极结构坍塌和粉末化导致的活性物质损失。
[0016]本专利技术选用的碳材料为生物质碳，以纤维素作为碳源，纤维素在大自然中资源富余，并且现代提取纤维素的工艺极其成熟，代替木材烧制的生物质碳，既保护森林资源，维护生态平衡，也变废为宝，用于锂硫电池正极材料中，大大降低了生产成本，可谓一举两得。同时，以纤维素作为碳源，在对其热处理过程中，会自发形成大小不一的介孔，介孔为单质硫的负载提供了更多的接触面积及活性位点，同时由于共轭双键产生的π电子的存在，电阻率下降，生物质碳导电性增强，随着温度升高，生物质碳的碳碳双键断裂，碳内部逐渐形成石墨化结构，石墨晶体逐渐趋向整齐，导电性逐渐增强，能进一步提高锂硫电池的电化学性能。
[0017]铈Ce作为稀土元素，具有电负性低、活性高的特点，Ce的核外价电子分布为4f15d16s2，4f电子层的存在使Ce带有很强的有效核电荷，对C、O等非金属元素有着极强的亲和力作用，CeO2的f空轨道能接受硫的孤对电子，促进聚硫离子均匀沉积到多孔生物质碳上。在多孔生物质碳前驱体及热处理中，CeO2修饰生物质碳不会破坏碳的sp2结构，而且能降低其π-π作用，提高CeO2的分散性，使其均匀地分散在多孔生物质碳中。因此，CeO2与多孔生物质碳产生协同效应，赋予CeO2/多孔生物质碳新的性能，既提高了正极材料的导电性，又能起到对多硫化物的化学吸附作用，有效的抑制“穿梭效应”，从而提高锂硫电池的循环寿
命、库伦效率及稳定性。
附图说明
[0018]图1为CeO2/多孔生物质碳的X射线衍射图像。
[0019]图2为多孔生物质碳的红外光谱图。
[0020]图3为100000倍率下CeO2/多孔生物质碳的SEM图。
[0021]图4为100000倍率下CeO2/多孔生物质碳的SEM图。
[0022]图5为100000倍率下锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳SEM图。
[0023]图6为锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳组装的电池的循环伏安曲线。
[0024]图7为锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳组装的电池的容量-电压曲线。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法，其特征在于一种制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳的方法是按照以下步骤进行的：一、制备ZnO@CeO2核壳材料将锌源，铈源按照一定比例，加入去离子水中搅拌溶解，在60~80 ℃下水浴加热，直至搅干，将搅干的粉末在600~700 ℃下，于空气中煅烧2~3 h，取出研磨30 min后，即得ZnO@CeO2核壳材料；二、制备ZnO@CeO2/多孔生物质碳前驱体将步骤一得到的ZnO@CeO2核壳材料与纤维素按照1：1~1：2混合均匀，加入5~6 mL有机溶剂，搅拌20~24 h，采用浇铸法将搅匀的溶液浇铸在干净的玻璃板上，并置于真空干燥箱中，真空条件下，在80~100 ℃下，干燥1~2 h，直至成膜，取出待用，即得ZnO@CeO2/多孔生物质碳前驱体；三、ZnO@CeO2/多孔生物质碳热处理将步骤二得到的ZnO@CeO2/多孔生物质碳前驱体在700~800 ℃下，N2气保护的条件下，热处理3~4 h；四、CeO2/多孔生物质碳前处理将步骤三得到的ZnO@CeO2/多孔生物质碳放入NaOH溶液中，超声30 min，静置12 h，对上述混合液进行抽滤，用去离子水洗涤5~6次，将CeO2/多孔生物质碳置于烘箱中干燥12~14 h，烘箱温度为60~80 ℃；五、制备锂硫电池正极材料S/CeO2/多孔生物质碳将步骤四得到的CeO2/多孔生物质碳与单质硫按照质量比1：7~3：7，于研钵中研磨1 ~2 h，于150~160 ℃下熔融扩散12~...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽波，陈晓川，单宇航，崔文俊，周达，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：