一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法技术

本发明专利技术提供了一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，包括以下步骤：S1：将冶炼渣进行煅烧、去碱、干燥处理，得到矿渣粉末；S2：将S1得到的矿渣粉末和硫粉加入到含碳分散液中，加热搅拌，待水溶液蒸干后将获得的块状样品进行干燥、研磨，得到锂硫电池正极复合材料；S3：将S2得到的复合材料与乙炔黑及PVDF按比例混合研磨，得到正极材料。本发明专利技术对冶金行业废弃的冶炼渣进行物理加工和化学加工，构建锂硫电池正极复合材料。提升锂‑硫电池的电化学性能的同时实现了冶炼废渣的高值化利用和减量，缓解冶炼废渣造成的环境污染。

【技术实现步骤摘要】
一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法
本专利技术涉及固废资源综合利用领域，特别涉及一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法。
技术介绍
我国作为工业大国，各冶炼行业发展迅速，同时每年伴随着大量冶炼渣的排放。按照我国行业管理分类，冶炼渣可划分为钢铁渣、有色金属渣和铁合金渣，有色金属渣是指在冶炼过程中形成的各种金属渣。在铁基冶炼渣中，赤泥是制铝工业在铝化矿中提取氧化铝是产生的废渣，因多呈现红色和褐色而得名。因矿石品位、生产方法和技术水平的不同，大约每生产1吨氧化铝要排放1.0～1.8吨赤泥。中国作为氧化铝生产大国，每年排放的赤泥高达数百万吨。大量堆存的赤泥不仅占用稀缺的土地资源，而且其中的碱性废液和重金属离子会造成土壤和地下水污染等一系列环境问题。因此，需要资源化处理来减少赤泥对环境的危害。目前的处理赤泥的方法主要是将其运用于建筑材料、陶瓷生产和金属回收等，但是这些方法都存在着成本高、环境污染大等缺点。元素硫作为一种轻质、多电子反应的正极材料，具有比容量大(1675mAhg-1)、环境友好、储量丰富、价格低廉等优势。然而，锂硫电池作为下一代高比能电池，中间产物多硫化物的溶解流失和穿梭效应严重恶化正负极传输界面和循环稳定性。此外，提高锂-硫转换反应动力学、实现多硫化物间的快速相转化是提高硫利用率和降低“穿梭效应”的有效手段。
技术实现思路
本专利技术提供了一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，其目的是为了实现冶炼废渣的高值化利用和减量，缓解冶炼废渣造成的环境污染；同时提升锂-硫电池的电化学性能。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，包括以下步骤：S1：将冶炼渣进行煅烧、去碱、干燥处理，得到矿渣粉末；S2：将S1得到的矿渣粉末和硫粉加入到含碳分散液中，加热搅拌，待水溶液蒸干后将获得的块状样品进行干燥、研磨，得到锂硫电池正极复合材料；S3：将S2得到的复合材料与乙炔黑及PVDF按比例混合研磨，得到正极材料。优选地，所述S1中，冶炼渣包括赤泥、钢渣、粉煤灰、铅锌冶炼渣中一种或多种。优选地，所述S1中，煅烧的温度为300～800℃，时间为120～300min。优选地，所述S1中，煅烧的温度为450℃，时间为280min。优选地，所述S1中，去碱方法为酸去碱和抽滤去碱中的一种或多种，更为优选地，去碱方法为酸去碱。优选地，所述S1中，酸为硝酸、硫酸、盐酸、醋酸、草酸中的一种或多种。更为优选地，所述酸为硝酸。优选地，所述S1中，酸的质量浓度为0.1～1mol/L，更为优选地，所述酸洗酸的质量浓度为0.5mol/L。优选地，所述S1中，干燥温度为40～80℃，干燥时间为15～24h。优选地，所述S1中，干燥温度为70℃，干燥时间为20h。优选地，所述S2中，碳、硫粉和矿渣粉末质量比为20～25：75～70：5，更为优选地，所述最佳配比为25：70：5。优选地，所述S2中，所述碳包括石墨烯、碳纳米管、碳黑、乙炔黑、科琴黑中的一种或多种；所述硫粉包括微米级和纳米级升华硫粉；所述含碳分散液的质量百分浓度为1-50％。优选地，所述S2中，加热温度设置为60～100℃，更为优选地，所述加热温度为90℃。优选地，所述S3中，复合材料、乙炔黑和PVDF以质量比为8～7：1～2：1，更为优选地，所述质量比为8：1：1。本专利技术的上述方案有如下的有益效果：本专利技术对冶金行业废弃的冶炼渣进行物理加工和化学加工，构建锂硫电池正极复合材料。这样既可以提升锂-硫电池的电化学性能，又可以实现冶炼废渣的高值化利用和减量，缓解冶炼废渣造成的环境污染。本专利技术方法的工艺流程简单，效率高，处理过程环保，而且制备得到的锂硫正极复合材料使用于大规模工业化生产。本专利技术的优点在于降低了锂硫电池的正极材料的成本，从而降低了锂硫电池的成本，另一方面也为冶炼废渣的高值化利用开辟新途径。附图说明图1为本专利技术实施例1的工艺流程图.图2为本专利技术实施例1得到的正极材料的电化学循环图。图3为本专利技术实施例2得到的正极材料的电化学循环图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。实施例1如图1所示，一种以赤泥为原料制备锂硫电池正极材料的方法，包括如下步骤：S1：取赤泥原矿2g，在研钵中研磨至细颗粒粉末状，之后将赤泥置于马弗炉中450℃煅烧280min，升温速率设置为3℃/min，冷却至室温后得到煅烧后的赤泥；将煅烧后的赤泥加入200ml纯水，调制固液比为10g/L，水溶液进行超声4h，之后设置磁子搅拌，转速600rpm，搅拌8h，制备成悬浊液；在磁力搅拌器的作用之下，向获得的悬浊液中逐滴加入硝酸溶液，浓度为0.5mol/L，用pH计实时监测溶液pH的变化，以pH为7±0.2为滴定终点，之后在磁力搅拌器下搅拌12h，然后溶液在室温下老化24h；使用抽滤设备对老化后的溶液进行抽滤，去除上清液，获得赤泥块体；将获得的块状赤泥在70℃下干燥20h，得到干燥的赤泥粉末，并将粉末进行研磨；将上述获得的赤泥细颗粒置于马弗炉中进行高温煅烧，在600℃下煅烧4h，设置升温速率为10℃/min；将煅烧后的粉末再次进行研磨，最终获得中性赤泥粉末；S2：取0.1g中性赤泥粉末与1.4g升华硫混合后加入到质量分数5％的石墨烯水溶液(10g)中；将溶液放置热台上加热搅拌，设置热台温度为90℃，转速为600rpm，直至获得粘稠浆料；将获得的粘稠浆料于烘箱中60℃烘24h，得到块状样品，再进行研磨制得细致的复合材料粉末；S3：上述复合材料粉末与乙炔黑和PVDF以质量比为8：1：1进行研磨混合，制得硫正极材料。图2为本专利技术实施例1利用冶炼废渣制备出锂硫电池正极材料的充放电循环图。通过图2可以看出，在0.2C的倍率充放电下循环100圈，放电比容量保持在530mAhg-1以上，每循环一圈容量衰减～0.32％，说明该材料的循环稳定性较好；此外该材料的库伦效率始终稳定保持在95％以上。因此，实例1利用酸洗赤泥为原料所制备的材料可以用作锂硫电池的正极材料。实施例2S1：取赤泥原矿10g，在研钵中研磨至细颗粒粉末状，之后将赤泥置于马弗炉中800℃煅烧280min，升温速率设置为3℃/min，冷却至室温后得到煅烧后的赤泥；将煅烧后的赤泥加入200ml纯水，调制固液比为10g/L，水溶液进行超声4h，之后设置磁子搅拌，转速600rpm，搅拌8h，制备成悬浊液；对悬浊液进行抽滤处理，用纯水抽滤四次，获得偏中性的赤泥浆；将赤泥浆在80摄氏度下烘24h，获得干燥的赤泥块，并进行研磨得到赤泥粉末；S2：取0.1g赤泥粉末，10g石墨烯水溶液(质量分数5％)和1.4g升华硫置于烧杯之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：将冶冻渣进行煅烧、去碱、干燥处理，得到矿渣粉末；/nS2：将S1得到的矿渣粉末和硫粉加入到含碳分散液中，加热搅拌，待水溶液蒸干后将获得的块状样品进行干燥、研磨，得到锂硫电池正极复合材料；/nS3：将S2得到的复合材料与乙炔黑及PVDF按比例混合研磨，得到正极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将冶冻渣进行煅烧、去碱、干燥处理，得到矿渣粉末；
S2：将S1得到的矿渣粉末和硫粉加入到含碳分散液中，加热搅拌，待水溶液蒸干后将获得的块状样品进行干燥、研磨，得到锂硫电池正极复合材料；
S3：将S2得到的复合材料与乙炔黑及PVDF按比例混合研磨，得到正极材料。


2.根据权利要求1所述的以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述S1中，冶炼渣包括赤泥、钢渣、粉煤灰、铅锌冶炼渣中一种或多种。


3.根据权利要求2所述的以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述S1中，煅烧的温度为300～800℃，时间为120～300min。


4.根据权利要求3所述的以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述S1中，去碱方法为酸去碱和抽滤去碱中的一种或多种。


5.根据权利要求4所述的以冶炼渣为原料制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，所述S1中，酸为硝酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴飞翔，于环宇，刘家敏，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43