锂硫电池用基于过渡金属硫化物的材料制造技术

本发明专利技术涉及一种合成用作锂硫电池中的电极的基于过渡金属硫化物的碳材料的方法。该方法包括提供包含第VI族过渡金属硫化物前体和溶剂的溶液，将碳纤维材料浸入该溶液中以形成混合物，对该混合物施加200℃至300℃的温度以使过渡金属硫化物能够负载到碳纤维材料上；以及干燥经负载的碳纤维材料，以获得基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料。本发明专利技术还涉及一种基于过渡金属硫化物的碳材料和一种用于锂硫电池的基于过渡金属硫化物的碳电极材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】锂硫电池用基于过渡金属硫化物的材料相关申请的交叉引用本申请要求于2018年8月20日提交的新加坡专利申请No.10201807048V的优先权，将该新加坡专利申请的全部内容通过引用并入本文。
本专利技术涉及基于过渡金属硫化物的材料、合成基于过渡金属硫化物的材料的方法和制备基于过渡金属硫化物的电极材料的方法。特别地，本专利技术涉及基于过渡金属硫化物的碳纤维材料、合成基于过渡金属硫化物的碳纤维材料的方法和制备基于过渡金属硫化物的碳电极材料的方法。
技术介绍
预计未来几十年全球对能量的需求将增加。尽管在过去的一个世纪中，在用于能量生产的替代性来源方面已经取得了许多进展，但是可以说能量存储方面的进步没有跟上步伐。这是特别关键的，因为大多数可再生能源(例如太阳能、风能、水力发电能源)是周期性和间歇性的。因此，需要高级存储系统，这些高级存储系统能够在需要时将能量从小型便携式装置中的电池输送到高能量电网级存储系统。在有可能超过现有锂离子电池(LIB)的各种可充电电池系统中，自从XiuleiJi等人在出版物NatureMaterials8,500-506(2009)中描述了对碳-硫阴极的开创性工作以来，锂硫电池(LSB)已经引起了最多的关注。硫阴极的高理论比容量(1673mAhg-1)比典型的LIB阴极大一个数量级，并且提供了高达2500Whkg-1的能量密度，这是现有LIB的数倍。此外，硫既便宜又丰富。将LSB与可以大量生产的合适阴极主体相结合，从而有可能以低得多的成本制造LSB。然而，LSB本身也存在一些挑战。这些挑战包括充放电产物的电绝缘性质阻碍了对硫的完全利用，以及放电循环期间的体积膨胀可能导致阴极结构损坏(Z.W.Seh等人,CHEM.SOC.REV.,2016,45,5605-5634；L.Ma等人,NANOTODAY,2015,10,315-338；L.Borchardt等人,CHEM.EUR.J.,2016,22,7324-7351；Y.Yang等人,CHEM.SOC.REV.,2013,42,3018-3032)。然而，最重要的挑战包括通过多硫化物穿梭效应使多硫化物溶解从而损失活性硫(Z.W.Seh等人,CHEM.SOC.REV.,2016,45,5605-5634)。因此，合适的主体材料必须通过提供物理或化学捕集来抑制多硫化锂(LiPS)溶解，但不以牺牲导电性为代价。因此，期望提供一种基于过渡金属硫化物的材料和用于合成该材料的方法，以寻求解决上文所述的问题中的至少一个问题，或至少提供可供选择的方案。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供了一种合成基于过渡金属硫化物的碳材料的方法，该碳材料用作锂硫电池中的电极。该方法包括提供包含第VI族过渡金属硫化物前体和溶剂的溶液；将碳纤维材料浸入该溶液中，以形成混合物；对该混合物施加200℃至300℃的温度，以使过渡金属硫化物能够负载到碳纤维材料上；以及干燥经负载的碳纤维材料，以获得基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料。在一个实施方案中，过渡金属硫化物前体选自由四硫代钼酸铵和四硫代钨酸铵组成的组。在一个实施方案中，过渡金属硫化物选自由二硫化钼和二硫化钨组成的组。在一个实施方案中，该方法还包括将基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料退火，以形成基于过渡金属硫化物的经负载的半导体碳材料。在一个实施方案中，该方法还包括使用基于过渡金属硫化物的经负载的碳纤维材料制备锂硫电池用电极，其中所述制备包括：将硫与炭黑混合并加热，以获得硫-炭黑混合物；将硫-炭黑混合物与粘合剂和溶剂混合，以获得含硫浆料；将含硫浆料沉积到基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料上；以及干燥基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料，以获得基于过渡金属硫化物的负载硫的碳电极。根据本专利技术的第二方面，提供了一种基于过渡金属硫化物的碳材料。基于过渡金属硫化物的碳材料包含碳纤维材料和选自由二硫化钼和二硫化钨组成的组中的第VI族过渡金属硫化物，其中过渡金属硫化物负载在碳纤维材料上。根据本专利技术的第三方面，提供了一种基于过渡金属硫化物的碳电极。基于过渡金属硫化物的碳电极包含负载硫的本专利技术的基于过渡金属硫化物的碳材料。根据本专利技术的第四方面，提供了一种锂硫电池。该锂硫电池包括阳极和阴极，其中阴极包含负载硫的本专利技术的基于过渡金属硫化物的碳材料。附图说明在以下详细描述中描述了根据本专利技术的材料和方法的上述优点和特征，并在附图中示出：图1为基于过渡金属硫化物的碳材料的合成的示意图。该方案示出了相和形态控制。图1(a)示出了未改性的交织的碳纤维；图1(b)示出了金属相边缘取向片层；图1(c)示出了半导体相边缘取向片层；图1(d)示出了金属相基面取向纳米片晶。图2示出了(a)MoS2和(b)WS2的1T-边缘、2H-边缘和1T-基面的X-射线衍射图，其中光谱归一化为未改性碳布的碳(002)峰以用于比较。图3示出了(a)裸露的未改性碳纤维布、(b-d)结构化的MoS2和(e-g)WS2材料的形态的SEM图像。图4为示出1T-边缘多型体MoS2-硫阴极和WS2-硫阴极的性能和表征的图组。(a)恒电流充电/放电曲线和(b)在初始稳定之后的循环伏安曲线(v＝0.05mV·s-1)，以未改性的负载硫的碳布作为对照示出；关键：MoS2-硫(点线)、WS2-硫(虚线)、未改性的负载硫的碳布(实线)。(c)多硫化锂吸附，各将一个阴极置于1mMLi2S4的DOL/DME溶液中。(d)在含有2重量％LiNO3添加剂的溶解于1:1(v/v)的DOL/DME溶液中的1MLiTFSI电解液中，通过以0.1mA·cm-2进行前五个活化循环并随后以0.2mA·cm-2进行循环，从而对1T-边缘MoS2-硫(实心菱形)、WS2-硫(空心圆形)和负载硫的碳布对照物(空心正方形)进行循环研究。图5示出了基于不同的相和形态的结构化的MoS2-硫和WS2-硫的阴极性能的比较。图(a、c)为提高面电流时的速率稳定性；1T-边缘(实心正方形)、2H-边缘(实心菱形)、1T-基面(空心圆形)、未改性(空心正方形)。图(b、d)为TMD-硫阴极的循环伏安曲线，以未改性的负载硫的碳布作为对照示出(v＝0.05mV·s-1)；1T-边缘(实线)、2H-边缘(短虚线)、1T-基面(长虚线)、未改性的(点线)。结构化的(e)MoS2-硫和(f)WS2-硫阴极的循环性能。图6示出了(a)恒电流充电/放电曲线；和(b)在4.1mg(S)·cm-2的高载硫量时，1T-边缘MoS2-硫阴极的循环性能。条件：以0.5mA·cm-2进行前五个活化循环，之后以1.0mA·cm-2进行循环；电解液为含有2重量％LiNO3添加剂的溶解于1:1(v/v)DOL/DME溶液中的1MLiTFSI电解液。图7示出了没有载硫量的对照MoS2阴极的循环伏安曲线。没有观察到对应于锂硫体系的反应，也没有观察到MoS2插层/转化反应。图8示出了负载硫的结构化的(a)MoS2阴极和(b)WS2阴极在充本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种合成基于过渡金属硫化物的碳材料的方法，所述基于过渡金属硫化物的碳材料用作锂硫电池中的电极，所述方法包括：/n提供包含第VI族过渡金属硫化物前体和溶剂的溶液；/n将碳纤维材料浸入所述溶液中，以形成混合物；/n对所述混合物施加200℃至300℃的温度，以使所述过渡金属硫化物负载到所述碳纤维材料上；以及/n干燥经负载的碳纤维材料，以获得基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180820 SG 10201807048V1.一种合成基于过渡金属硫化物的碳材料的方法，所述基于过渡金属硫化物的碳材料用作锂硫电池中的电极，所述方法包括：
提供包含第VI族过渡金属硫化物前体和溶剂的溶液；
将碳纤维材料浸入所述溶液中，以形成混合物；
对所述混合物施加200℃至300℃的温度，以使所述过渡金属硫化物负载到所述碳纤维材料上；以及
干燥经负载的碳纤维材料，以获得基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述过渡金属硫化物前体选自由四硫代钼酸铵和四硫代钨酸铵组成的组。


3.根据权利要求2所述的方法，其中所述过渡金属硫化物选自由二硫化钼和二硫化钨组成的组。


4.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳纤维材料为具有多重交织的碳纤维的织造材料。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳纤维材料为多孔碳布。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述溶剂选自由二甲基甲酰胺、去离子水和它们的组合组成的组。


7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述提供包含第VI族过渡金属硫化物前体和溶剂的溶液的步骤之前，将所述碳纤维材料浸入包含在所述溶液中的所述溶剂中。


8.根据权利要求7所述的方法，其中所述溶剂包括溶解在去离子水中的十六烷基三甲基溴化铵。


9.根据权利要求3所述的方法，其中所述过渡金属硫化物为二硫化钼，并且所述基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料负载有边缘取向的二硫化钼。


10.根据权利要求8所述的方法，其中所述过渡金属硫化物为二硫化钼，并且所述基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料负载有基面取向的二硫化钼。


11.根据权利要求3所述的方法，其中所述过渡金属硫化物为二硫化钨，并且所述基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料负载有边缘取向的二硫化钨或基面取向的二硫化钨。


12.根据权利要求1所述的方法，还包括：
将所述基于过渡金属硫化物的经负载的碳材料退火，以形成基于过渡金属硫化物的经负载的半导体碳材料。


13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
使用基于过渡金属硫化物的经负载的碳纤维材料制备锂硫电池用电极，其中所述制备包...

【专利技术属性】
技术研发人员：李秀星，钟健樑，翁永胜，
申请(专利权)人：新加坡科技研究局，
类型：发明
国别省市：新加坡;SG