VS制造技术

本发明专利技术公开了一种VS

【技术实现步骤摘要】
VS4/多级孔石墨化碳复合材料及制备方法、正极材料、正极片、锂硫电芯及锂硫电池包
本专利技术涉及储能装置领域，尤其涉及一种VS4/多级孔石墨化碳复合材料及其制备方法、正极材料、正极片、锂硫电芯、锂硫电池包及应用。
技术介绍
新兴电动汽车和可更新能源存储市场需求的不断增长，引发了人们对下一代能源存储设备的探索。可充电锂硫电池以其理论能量密度高(2600Wh/kg)、硫储量丰富、成本低、环境友好等优点越来越受到人们的重视。但是锂硫电池也面临诸多挑战。第一，硫在氧化还原反应过程中，能与锂生成可溶于有机电解液的多硫化物Li2SX(2＜X＜8)，多硫化物在充放电过程中发生“穿梭效应”，导致电池库仑效率差和循环稳定性降低。第二，单质硫的导电性差，是离子和电子的绝缘体(10～30s/cm)，不能直接作为电极材料，且还原产物Li2S2和Li2S是电子绝缘体。第三，反应物硫和最终产物Li2S密度差距大，造成锂硫电池在充放电过程中伴随着巨大的体积变化，电极结构容易粉化，从集流体脱落，从而导致电池容量显著衰减。以上问题导致电极活性物质利用率低和电池的循环寿命差，阻碍锂硫二次电池的商业化进程。针对现存的问题，大部分的研究都是利用高比表面积和精心设计孔隙结构的碳材料作为硫载体，如中孔/微孔炭、多孔空心炭球、中空炭纤维球和碳化物泡沫等。这种结构的优势在于，首先，碳自身具有良好的导电性，有利于提高复合材料的电导率；其次，多孔的结构设计，给硫提供了一个缓冲的基床，可以缓解硫在充放电过程中因体积变化而造成的影响，最后，高比表面积和特殊孔隙结构的碳材料，对反应过程生成的多硫化物有物理吸附作用，抑制多硫化物的流失，减缓其穿梭效应。虽然用这些碳质材料制成的电化学电池在最初的几十次循环中表现出了显著的容量提高，但在长期循环中，它们会遭受严重的衰减，这主要是因为这种结构的碳材料虽然对多硫化物有物理吸附作用，但是其物理吸附作用还是相对较弱。因此，需要寻找一种更强吸附作用的材料来解决现存的问题。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种VS4/多级孔石墨化碳复合材料，该复合材料的吸附作用强，导电性能良好且可贡献克容量。本专利技术的第二目的在于提供一种VS4/多级孔石墨化碳的复合材料制备方法，该方法制备的VS4/多级孔石墨化碳复合材料的吸附作用强，导电性能良好且可贡献克容量。本专利技术的第三目的在于提供一种锂硫电池正极材料，该正极材料包含吸附作用强，导电性能良好且可贡献克容量的VS4/多级孔石墨化碳复合材料。本专利技术的第四目的在于提供一种锂硫电池正极片，该锂硫电池正极片包含吸附作用强，导电性能良好且可贡献克容量的VS4/多级孔石墨化碳复合材料。本专利技术的第五目的在于提供一种锂硫电芯，该锂硫电芯包含吸附作用强，导电性能良好且可贡献克容量的VS4/多级孔石墨化碳复合材料。本专利技术的第六目的在于提供一种锂硫电池包，该锂硫电池包包含吸附作用强，导电性能良好且可贡献克容量的VS4/多级孔石墨化碳复合材料。本专利技术的第七目的在于应用本专利技术的锂硫电池包。为实现上述目的，本专利技术提供了一种VS4/多级孔石墨化碳复合材料的制备方法，所述制备方法包括步骤：提供多级孔石墨化碳；改性所述多级孔石墨化碳，将所述多级孔石墨化碳分散在强酸溶液中，使所述多级孔石墨化碳连接上羧基或将所述多级孔石墨化碳分散在强碱溶液中，使所述多级孔石墨化碳连接上羟基，得到改性多级孔石墨化碳，将所述改性多级孔石墨化碳清洗至中性后进行干燥；以及负载VS4，将所述改性多级孔石墨化碳分散在溶剂中，加入钒源和硫源，进行第二水热反应制得VS4/多级孔石墨化碳复合材料。本专利技术采用低廉的树脂为原料，以金属钴或镍为催化剂，碱类化合物为造孔剂，通过熔融裂解的方法制备出具有高比表面积多级孔石墨化碳，工艺简单可大批量制备，如公开号为CN106927451A的专利公布了一种“三维结构石墨烯及其碳源自模板催化热解”。由于该碳材料特殊的结构，可应用于锂硫电池中，对多硫化物有很好的物理吸附作用。为了能够更好地吸附多硫化物，我们在这基础上做了进一步的改性，对该碳材料进行改性，嫁接羟基或羧基，然后再在羟基化或羧基化碳的表面负载VS4纳米颗粒，形成VS4/多级孔石墨化碳复合材料。这种结构的设计有以下几个优点：1).该复合材料具有大的比表面积和多孔的结构，可以负载更多的硫，提高硫的载量；2).该复合材料中的多级孔石墨化碳和VS4都具有良好的导电性，提高电极的导电性能；3).该复合材料中多级孔石墨化碳提供物理吸附，VS4提供化学吸附，两者相结合有利于更好地吸附多硫化物，抑制多硫化物的穿梭；4).VS4具有“等硫体”的特性，在锂硫电池的充放电区间，可以贡献容量，可当电极的活性物质，提高电极活性物质的占比。VS4颗粒均匀负载在多级孔石墨化碳的表面，形成VS4/多级孔石墨化碳复合材料。所述复合材料制备步骤简单且产率较高，应用于锂硫电池中电化学性能较好，与没有添加VS4的正极材料相比，性能明显提高。过渡金属硫化物VS4一方面具有很好的导电性，加快反应的动力学；另一方面VS4能够很好抑制多硫化物的穿梭，从而提高了锂硫电池的循环稳定性。进一步地，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锌中的一种或多种，所述强碱优选氢氧化钠，所述强酸为硫酸、盐酸、硝酸中的一种或多种，所述强酸优选硫酸，所述强酸和所述强碱的浓度为0.5～6mol/L，优选地为2～6mol/L。进一步地，使所述多级孔石墨化碳连接上羧基或羟基的方式为：将多级孔石墨化碳通过超声的方式分散于强酸或强碱溶液中将分散于强酸或强碱溶液中的所述多级孔石墨化碳转移到反应釜中进行第一水热反应，从而使所述多级孔石墨化碳连接上羧基或羟基，所述第一水热反应的时间为3～48h，优选为6～12h，所述第一水热反应的温度为120～220℃，优选为140～180℃。优选条件下多级孔石墨化碳更容易接上羧基或羟基官能团。进一步地，所述溶剂为去离子水、乙二醇、甲醇、乙醇、丙三醇中的一种或多种，较优地所述溶剂选择有机溶剂，所述改性多级孔石墨化碳通过超声的方式分散在所述溶剂中，超声的时间为0.5～2h，优选为1～2h，超声温度25～45℃，优选为35～45℃。进一步地，所述钒源为Na3VO4、NaVO3、NH4VO3、V2O5中的一种，所述硫源为硫代乙酰胺、硫脲中的一种，所述第二水热反应在反应釜中进行，所述第二水热反应时间为3～24h，优选地所述水热反应时间为12～24h，所述水热反应温度为120～220℃，优选地所述水热反应温度为140～180℃。优选条件下，VS4能够很好地负载于改性多级孔石墨化碳表面，且VS4的结晶度会很好。第二水热反应后进行分离、清洗、烘干，得到VS4/多级孔石墨化碳复合材料。本专利技术还提供一种VS4/多级孔石墨化碳复合材料，所述VS4/多级孔石墨化碳复合材料由上述的制备方法制得。本专利技术还提供一种锂硫电池正极材料，按照质量百分比计，所述锂硫电池正极材料包括：10～39wt％VS4/多级孔石墨化碳复合材料，60～8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种VS

【技术特征摘要】
1.一种VS4/多级孔石墨化碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
提供多级孔石墨化碳；
改性所述多级孔石墨化碳，将所述多级孔石墨化碳分散在强酸溶液中，使所述多级孔石墨化碳连接上羧基或将所述多级孔石墨化碳分散在强碱溶液中，使所述多级孔石墨化碳连接上羟基，得到改性多级孔石墨化碳，将所述改性多级孔石墨化碳清洗至中性后进行干燥；以及
负载VS4，将所述改性多级孔石墨化碳分散在溶剂中，加入钒源和硫源，进行第二水热反应制得VS4/多级孔石墨化碳复合材料。


2.如权利要求1所述的VS4/多级孔石墨化碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化锌中的一种或多种，所述强碱优选氢氧化钠，所述强酸为硫酸、盐酸、硝酸中的一种或多种，所述强酸优选硫酸，所述强酸和所述强碱的浓度为0.5～6mol/L，优选地为2～6mol/L。


3.如权利要求1所述的VS4/多级孔石墨化碳复合材料的制备方法，其特征在于，使所述多级孔石墨化碳连接上羧基或羟基的方式为：将分散于强酸或强碱溶液中的所述多级孔石墨化碳转移到反应釜中进行第一水热反应，从而使所述多级孔石墨化碳连接上羧基或羟基，所述第一水热反应的时间为3～48h，优选为6～12h，所述第一水热反应的温度为120～220℃，优选为140～180℃。


4.如权利要求1所述的VS4/多级孔石墨化碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水、乙二醇、甲醇、乙醇、丙三醇中的一种或多种，所述改性多级孔石墨化碳通过超声的方式分散在所述溶剂中，超声的时间为0.5～2h，优选为1～2h，超声温度25～45℃，优选为35～45℃。


5.如权利要求1所述的V...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴春宇，洪晔，毛文峰，胡倩倩，长世勇，董海勇，
申请(专利权)人：广州汽车集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44