一种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锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下原料：碳纳米管(CNT)、三聚氰胺、硫粉、硝酸铜、硝酸钴和二甲基咪唑，制备方法包括以下步骤：将碳纳米管用硝酸改性后，与三聚氰胺混合搅拌之后煅烧；之后用S粉煅烧硫化后，通过水热法合成CuCo‑MOF/S‑N‑CNT。本发明专利技术制备的复合材料用于锂硫电池正极材料，具有良好的充放电性能和稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极材料的制备方法
本专利技术涉及一种锂硫电池正极材料，具体来说是一种CuCo-MOF/S-N-CNT正极材料。
技术介绍
作为现代社会发展的基石，能源问题已经成为人们广泛关注的热点话题。此外，能源也是当今科技创新与社会进步的内在驱动力。伴随着工业革命进程的不断推进，以煤炭、石油为代表的不可再生能源被过度地开采与使用，与此同时，大量的化石能源的不合理使用也造成了严重的环境污染问题。同时，煤炭、石油等化石能源属于不可再生能源，资源储量有限，随着时间推移，可开采的资源总量日渐枯竭，因此，开发新的清洁能源已成为必然。锂离子电池是目前被研究最广泛的新型能源，但是目前锂离子电池的能量密度已经趋于饱和状态，为了更加有效的促进储能设备的研究，开发新一代高效的的储能设备是当前发展的必然要求。锂-硫电池是以硫或含硫材料为正极、与金属锂配对，其理论比能量可达2600W·h·kg-1，远大于现阶段所使用的商业化二次电池，且单质硫具有价格低廉、资源丰富、环境友好等优点，是目前最具发展前景的高比能二次电池体系。目前主要用贵金属材料作为电极材料，但贵金属价格高，不适合大规模生产；用碳材料作为电极价格低廉，但单纯碳材料电导率低，不适合常规使用。
技术实现思路
本专利技术公开了一种锂硫电池的正极材料，包括以下原料：碳纳米管(CNT)、三聚氰胺、硫粉、硝酸铜、硝酸钴和二甲基咪唑，制备方法包括以下步骤：S1：将1g碳纳米管CNT加入100ml浓硝酸中，水浴搅拌，利用超纯水洗涤并烘干，将烘干后结块的CNT研磨为粉末，并用无水乙醇洗涤3次，真空烘干；S2：将步骤S1产物加入甲醇与水的混合溶液中，加入三聚氰胺搅拌至完全溶解后，80℃下搅拌至溶液完全挥发，之后将混合物转移至管式炉中，通入氮气进行煅烧，最后用超纯水及乙醇洗涤并烘干；S3：将步骤S2产物与硫粉混合放入研钵中，研磨30min，之后将其转移到真空玻璃管中，在150℃进行煅烧反应，之后升温至220℃进行煅烧反应；S4：将硝酸铜、硝酸钴和二甲基咪唑加入去离子水中，搅拌1h，加入步骤S3产物，超声30min，之后将其转入聚四氟乙烯反应釜中，进行水热反应，反应结束后，用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥6h。优选的，所述步骤S1中，碳纳米管和硝酸的质量体积比为1g：(50-100)ml。优选的，所述步骤S1中，水浴搅拌温度为60-100℃，搅拌时间为3-5h。优选的，所述步骤S2中，步骤S1产物、三聚氰胺、甲醇和水的质量体积为1g:1g：(40-60)ml：(80-120)ml。优选的，所述步骤S2中，煅烧温度为800-1000℃，煅烧时间为1-2h。优选的，所述步骤S3中，步骤S2产物和硫粉的质量比为1g：(2-3)g。优选的，所述步骤S3中，在150℃煅烧反应16-24h，在220℃煅烧反应2-4h。优选的，所述步骤S4中，硝酸铜、硝酸钴、二甲基咪唑、S3产物和去离子水的质量体积比为1g：1g：(2-4)g：1g：100ml。优选的，所述步骤S4中，水热反应温度为180-220℃，反应时间为16-24h。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果如下：(1)金属有机骨架(MOF)化合物是由含氧、氮的多齿有机配体与金属原子自组装形成的网络结构聚合物。利用MOF超高的孔隙体积、比表面积和丰富多样的内部笼结构，能够提高充放电性能。(2)利用碳纳米管作为基底，具有非常好的导电性能，并且其具有大比表面积等优点，能够提供更多的活性位点，进一步提升材料的比电容和稳定性。(3)通过N元素的掺杂，对碳纳米管进行改性，改变了碳纳米管的电子结构和表面的缺陷位点，使其更容易与MOF负载，提升了其充放电性能。(4)本专利技术所用原料易于获取，价格低廉，适合大规模生产。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的材料的扫描电子显微镜(SEM)图。图2为本专利技术实施例1制备的材料的循环伏安曲线。图3为本专利技术实施例1制备的材料的倍率性能图。具体实施方案实施例1：一种锂硫电池的正极材料，其制备方法包括以下步骤：S1：将1g碳纳米管CNT加入75ml浓硝酸中，在80℃水浴搅拌4h，之后利用超纯水洗涤并烘干，将烘干后结块的CNT研磨为粉末，并用无水乙醇洗涤3次，真空烘干；S2：将0.5g步骤S1产物加入25ml甲醇与50ml水的混合溶液中，加入0.5g三聚氰胺搅拌至完全溶解后，80℃下搅拌至溶液完全挥发，之后将混合物转移至管式炉中，通入氮气，在900℃下煅烧1.5h，最后用超纯水及乙醇洗涤并烘干；S3：将0.5g步骤S2产物与1.25g硫粉混合放入研钵中，研磨30min，之后将其转移到真空玻璃管中，在150℃煅烧20h，之后升温至220℃煅烧3h；S4：将0.5g硝酸铜、0.5g硝酸钴和1.5g二甲基咪唑加入100ml去离子水中，搅拌1h，加入0.5g步骤S3产物，超声30min，之后将其转入聚四氟乙烯反应釜中，200℃水热反应20h，反应结束后，用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥6h。性能测试：本实验中使用LAND充放电测试仪(武汉金诺)采集电池的充放电性能数据。纽扣电池的充放电测试在深圳新威尔公司生产的BTS系列高精度电池测试系统上完成。本文中测试温度为环境温度25℃，充放电电压截止范围为1.5～3.0V，将制备好的无粘结剂正极材料在10MPa的压力下压到铝网上，截取直径10mm的圆片作为正极。以金属锂片作为负极，隔膜采用Celgard2400，电解液为0.1MLiNO3+1MLiTFSI的DOL/DME(体积比1:1)溶液，在充满氩气的手套箱中组装成CR2032纽扣电池。(1)循环伏安测试采用PARSTAT-4000高级电化学测试系统(PrincetonAppliedResearch)对组装成的电池进行循环伏安测试，并进行数据采集及分析。具体测试条件：环境温度为25℃，扫描电压范围为1.5-3.0V，扫描速度为0.1mV·s-1(2)倍率测试将实施例1-4制备的正极材料在不同倍率下(0.1C、0.5C、1C、2C、5C)恒流放电至1.5V，再转入电流恒流充电至3V，搁置5min后，再以恒流放电至1.5V终止电压。每个倍率下循环3次。图2为本专利技术实施例1制备的正极材料应用于锂硫电池的循环伏安曲线，扫描速率为0.1mV·s-1。在第一次循环扫描中，在2.3V和2.05V左右明显可以看到两个还原峰，在2.4V左右出现了一个明显的氧化峰，对应着锂硫电池充放电过程的多步反应。对比第20次和第一次的循环伏安曲线，峰位置变化程度较小，说明随着反应的进行，电极的极化程度没有明显增大，此外对比伏安曲线的还原峰积分面积可知，20次循环后，积分面积变化较小，这两点均说明三维石墨烯的吸附作用有利于电极容量的保持，实施例1制备的正极材料具有较好的循环性能。如图3所示，本专利技术实施例1制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：将1g碳纳米管CNT加入100ml浓硝酸中，水浴搅拌，利用超纯水洗涤并烘干，将烘干后结块的CNT研磨为粉末，并用无水乙醇洗涤3次，真空烘干；/nS2：将步骤S1产物加入甲醇与水的混合溶液中，加入三聚氰胺搅拌至完全溶解后，80℃下搅拌至溶液完全挥发，之后将混合物转移至管式炉中，通入氮气进行煅烧，最后用超纯水及乙醇洗涤并烘干；/nS3：将步骤S2产物与硫粉混合放入研钵中，研磨30min，之后将其转移到真空玻璃管中，在150℃进行煅烧反应，之后升温至220℃进行煅烧反应；/nS4：将硝酸铜、硝酸钴和二甲基咪唑加入去离子水中，搅拌1h，加入步骤S3产物，超声30min，之后将其转入聚四氟乙烯反应釜中，进行水热反应，反应结束后，用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥6h。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将1g碳纳米管CNT加入100ml浓硝酸中，水浴搅拌，利用超纯水洗涤并烘干，将烘干后结块的CNT研磨为粉末，并用无水乙醇洗涤3次，真空烘干；
S2：将步骤S1产物加入甲醇与水的混合溶液中，加入三聚氰胺搅拌至完全溶解后，80℃下搅拌至溶液完全挥发，之后将混合物转移至管式炉中，通入氮气进行煅烧，最后用超纯水及乙醇洗涤并烘干；
S3：将步骤S2产物与硫粉混合放入研钵中，研磨30min，之后将其转移到真空玻璃管中，在150℃进行煅烧反应，之后升温至220℃进行煅烧反应；
S4：将硝酸铜、硝酸钴和二甲基咪唑加入去离子水中，搅拌1h，加入步骤S3产物，超声30min，之后将其转入聚四氟乙烯反应釜中，进行水热反应，反应结束后，用去离子水和乙醇洗涤3次，真空干燥6h。


2.如权利要求1所述的一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，碳纳米管和硝酸的质量体积比为1g：(50-100)ml。


3.如权利要求1所述的一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，水浴搅拌温度为60-100℃，搅拌时...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈兆佳，李伟翔，
申请(专利权)人：陈兆佳，
类型：发明
国别省市：上海;31