一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于新能源材料与器件技术领域，涉及一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法与应用。该锂硫电池复合正极材料是由活性硫和Co/NC@Ni/PCF硫载体组成，其中Co/NC是通过煅烧ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于新能源材料与器件
，尤其涉及一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]“清洁能源+智能电网”被誉为第四次工业革命。储能技术是实现太阳能、风能等可再生能源发电并网普及应用和智能电网建设所急需的核心技术之一。清洁能源发展趋势要求未来储能技术的发展方向必然是：低成本、长寿命、高效率的储能电池。现有储能体系中，锂离子电池(LIBs)因具有能量密度高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点，广泛应用于便携电子设备、电动汽车等领域。然而其能量密度已接近其理论极限，不能满足日益增长的电池能量需求，因此亟需开发新一代高能量密度、环境友好、安全价廉的电池体系。
[0003]锂硫电池是一种以硫为正极活性物质，金属锂为负极的新型二次电池，拥有高达1675mAh g
‑1和2600Wh kg
‑1的理论比容量和比能量，相当于目前商用锂离子电池的数倍，并且硫储量丰富、环境友好、价格低廉等优点，因而锂硫电池被认为是最具开发潜力的新一代高能量密度储能体系之一。然而，锂硫电池仍面临硫及放电终产物导电性差，可溶性中间产物(多硫化物)的溶解穿梭以及充放电电极体积膨胀等造成的活性物质利用率低、容量迅速衰减、电极结构破坏等问题，严重阻碍了其产业化应用。
[0004]为解决以上问题，国内外学者分别从硫正极、锂负极、电解液体系和电池结构等方面开展诸多研究。其中，含硫正极材料不仅是决定锂硫电池性能的关键，也是锂硫电池研究的难点，因此设计和构建高性能硫正极材料一直是锂硫电池研究的热点。目前，研究人员通常采用的策略是将活性硫嵌入多孔导电载体中以改善其电子/离子传导性，并一定程度上物理/化学限制多硫离子(Li2S
n
)及加速其电化学可逆转化，从而抑制穿梭效应。硫载体材料主要包括碳材料、导电聚合物、金属有机骨架(MOFs)、过渡金属硫化物、氧化物、磷化物等。多孔碳材料具有质轻、导电性高、比表面积大、孔容高、稳定性好等优点，将硫与多孔碳复合不仅很大程度上克服了硫及放电产物导电性差的问题，其可调节的孔道结构还具有物理限制多硫化物的迁移和穿梭的作用，同时还能适应循环过程中电极体积膨胀收缩问题，因此，多孔碳被认为是活性硫的最佳载体。
[0005]近年来，研究人员发现碳材料表面修饰的非贵金属Ni、Co纳米颗粒能够极大地催化促进多硫化物的动力学转化过程，从而有效缓解锂硫电池穿梭效应问题。因此，如何设计和构建基于非贵金属纳米颗粒修饰多孔碳的高性能锂硫电池正极材料已成为国内外学者关注的焦点。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种锂硫电池复合正极材料及其制备方法与应用，通过协同发挥多孔碳纤维/N掺杂多孔碳/Ni、Co纳米颗粒体系的高比表面积、优异导电性、高载硫/限硫能力以及N掺杂位点和Ni、Co纳米颗粒对可溶性多硫化物的吸附
‑
催化作用，不仅实现
了硫的高负载，而且能够有效抑制“穿梭效应”和缓解电极体积变化。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种锂硫电池复合正极材料是由活性硫和Co/NC@Ni/PCF硫载体组成，其中Co/NC是通过煅烧ZIF
‑
67形成的Co纳米颗粒嵌入的N掺杂多孔碳，Ni/PCF是表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维，Co/NC均匀负载于Ni/PCF表面。
[0008]一种锂硫电池复合正极材料的制备方法，首先采用电沉积法在酸洗后的碳纤维表面负载Ni(OH)2，再对其进行煅烧处理，获得表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维Ni/PCF；接着在Ni/PCF表面晶化生长钴基金属有机框架ZIF
‑
67并进行煅烧处理，获得Co/NC@Ni/PCF复合材料；最后将Co/NC@Ni/PCF复合材料作为硫载体与活性硫熔融复合，获得一种锂硫电池复合正极材料。
[0009]优选地，制备表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维Ni/PCF的步骤为：先将碳纤维布置于浓硝酸与浓硫酸的混合溶液中进行回流处理，其中浓硝酸(68wt％)与浓硫酸(98wt％)的体积比为1∶3，回流温度为80～100℃，回流时间为2～6h，然后分别用无水乙醇和去离子水洗涤，干燥待用；配置1M NaNO3和1M Ni(NO3)2混合溶液作为电解液，采用恒流电沉积法在碳纤维(CF)表面沉积Ni(OH)2，沉积的电流密度为4～8mA cm
‑2，沉积时间为10～15min，获得Ni(OH)2@CF复合材料；最后将Ni(OH)2@CF复合材料在氩气气氛下进行煅烧处理，煅烧温度为800～900℃，煅烧时间为4～6h，获得表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维Ni/PCF。
[0010]优选地，制备Co/NC@Ni/PCF复合材料的步骤为：室温下将Ni/PCF浸渍于六水合硝酸钴和2
‑
甲基咪唑的混合溶液中进行晶化生长，然后分别用乙醇和去离子水洗涤，干燥后获得ZIF
‑
67@Ni/PCF复合材料，然后将ZIF
‑
67@Ni/PCF在氩/氢混合气体中进行煅烧处理，煅烧温度为700～800℃，煅烧时间为2～6h，制得Co/NC@Ni/PCF复合材料。
[0011]进一步优选地，硝酸钴溶液的浓度为0.05～0.1M，2
‑
甲基咪唑溶液的浓度为0.3～2M，2
‑
甲基咪唑与六水合硝酸钴的摩尔比为6～20∶1，配制溶液所采用的溶剂为水或甲醇，晶化生长时间为6～24h，干燥温度为50～80℃，干燥时间为6～12h。
[0012]优选地，将Co/NC@Ni/PCF复合材料作为硫载体与活性硫熔融复合获得锂硫电池复合正极材料的步骤为：将Co/NC@Ni/PCF作为硫载体与单质硫混合后，放入充满氩气的聚四氟乙烯罐中，在155～160℃下保温12～24h进行熔融复合；之后升温至200℃去除表面硫，使得锂硫电池复合正极材料中硫的面积载量控制为3～8mg/cm2。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果表现在：
[0014]1)、将制备的Co/NC@Ni/PCF作为活性硫的导电载体，其中Co/NC是Co纳米颗粒嵌入的N掺杂多孔碳，Ni/PCF是表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维，Co/NC均匀负载于Ni/PCF表面。该复合电极材料通过协同发挥多孔碳纤维/N掺杂多孔碳/Ni、Co纳米颗粒体系的高比表面积、优异导电性、高载硫/限硫能力以及N掺杂位点和Ni、Co纳米颗粒对可溶性多硫化物的吸附
‑
催化作用，不仅实现了硫的高负载，而且能够有效抑制“穿梭效应”和缓解电极体积变化。
[0015]2)、将该复合正极材料应用于锂硫电池中，所组装的电池具有比容量高、循环寿命长、倍率性能好等优点。
[0016]3)、该锂硫电池复合正极材料是一种自支撑电极材料，无需使用导电剂、粘结剂和
集流体即可组装成电池，并且制备工艺简单、成本低廉、环境友好，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池复合正极材料，其特征在于，所述锂硫电池复合正极材料是由活性硫和Co/NC@Ni/PCF硫载体组成，其中Co/NC是通过煅烧ZIF
‑
67形成的Co纳米颗粒嵌入的N掺杂多孔碳，Ni/PCF是表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维，Co/NC均匀负载于Ni/PCF表面。2.一种制备如权利要求1所述锂硫电池复合正极材料的方法，其特征在于，首先采用电沉积法在酸洗后的碳纤维表面负载Ni(OH)2，再对其进行煅烧处理，获得表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维Ni/PCF；接着在Ni/PCF表面晶化生长钴基金属有机框架ZIF
‑
67并进行煅烧处理，获得Co/NC@Ni/PCF复合材料；最后将Co/NC@Ni/PCF复合材料作为硫载体与活性硫熔融复合，获得一种锂硫电池复合正极材料。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，制备表面弥散嵌有Ni纳米颗粒的多孔碳纤维Ni/PCF的步骤为：先将碳纤维布置于浓硝酸与浓硫酸的混合溶液中进行回流处理，其中浓硝酸与浓硫酸的体积比为1∶3，回流温度为80～100℃，回流时间为2～6h，然后分别用无水乙醇和去离子水洗涤，干燥待用；配置1M NaNO3和1M Ni(NO3)2混合溶液作为电解液，采用恒流电沉积法在碳纤维(CF)表面沉积Ni(OH)2，沉积的电流密度为4～8mA cm
‑2，沉积时间为10～15min，获得Ni(OH)2@CF复合材料；最后将Ni(OH)2@CF复合材料在氩气气氛下进行煅烧处理，煅烧温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴玉程，吴迪，王忠杰，刘家琴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：