一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法技术

本发明专利技术属于电池材料技术领域，具体涉及一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法。其中构建阳离子基团碳布集流体，通过在碳布的碳纤维醚化处理接有阳离子基团；通过活性物质硫碳复合物提供高导电性和附着位点，碳纤维上的阳离子基团对电化学反应产生的中间产物多硫化物负离子起吸附作用，以解决多硫化物溶解于电解液中而损失的问题，从而不管在低硫负载量还是在高硫负载量的情况下，锂硫电池体系都能保持高容量稳定循环。并且在锂硫电池正极中添加具有阳离子基团的物质(Z)‑1‑(3‑氯‑2‑丙烯基)‑3,5,7‑三氮杂‑1‑氮翁三环[3.3.1.L3,7]癸烷氯化物，解决中间产物多硫化物溶解性问题，进而赋予了锂硫电池优异的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法
本专利技术属于电池材料
，具体涉及一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法。
技术介绍
作为一种高效的储能系统，从各种电子产品到电动汽车，再到电网规模化能量存储的扩展应用，锂电池一直参与到能源生态演变这一重要进程中。过去几十年锂离子电池在这一进程中一直占据着主导地位，然而它的高成本和越来越接近理论极限的现状，使得学术界和工业界都在寻求超越锂离子嵌入的新型化学储能电池，以满足对不断增长的能源需求。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。封闭的Li-S系统与LIB类似，在电池制造方面，从LIB到Li-S电池的转换更简单有效，从而使其比开放的锌-空气与锂-空气系统更具商业可行性。同时，作为正极材料的单质硫不仅对环境及人类影响极小，而且是地球上丰度最高的元素之一，它目前的均价仅为$0.25/kg，而这还不足锂离子电池正极材料LiCoO2(均价为$40/kg)价格的百分之一。并且其材料理论比容量和电池理论比能量分别高达1675mAh/g和2600Wh/kg，远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池(<150mAh/g和<300Wh/kg)。由此看来，锂硫电池是一种非常有前景的新型锂电池。然而，锂硫电池没有大规模商业化有其两大主要原因：(1)反应原料S与反应终产物Li2S2、Li2S的差导电性，使得电化学反应很难进行；(2)反应中间产物Li2Sn(n＝4，6，8)极易溶解于电解液中，并进一步产生穿梭效应，扩散到负极一侧，直接与锂片接触反应，导致活性物质的损失，电池体系容量的快速衰减。在追求高硫负载量、高能量密度的情况下，以上问题更加严重。针对以上两大问题，科研工作者们已做出很多工作。针对体系中反应物差的导电性，解决方法是通过与金属氧化物、导电聚合物、有机框架和各种形式的碳材料等导电材料复合，将与硫有关的物种的导电率提高，可以很好的发挥出活性物质的容量。但是中间产物多硫化物溶解问题，是造成锂硫电池容量快速衰减的重大原因。锂硫电池要想达到长期稳定循环工作，多硫化物溶解性问题急需解决。因此，本领域急需建立针对多硫化物溶解的体系，以维持锂硫电池长期稳定循环。本专利技术提出将阳离子基团应用于锂硫电池中，阳离子基团对多硫化物阴离子具有正负电吸附作用，以解决多硫化物溶解损失的问题，建立锂硫电池长期稳定循环体系。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法。其中构建阳离子基团碳布集流体，通过在碳布的碳纤维醚化处理接有阳离子基团；通过活性物质硫碳复合物提供高导电性和附着位点，碳纤维上的阳离子基团对电化学反应产生的中间产物多硫化物负离子起吸附作用，以解决多硫化物溶解于电解液中而损失的问题。所述醚化碳布是通过具有醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵上的阳离子基团修饰，所用活性物质硫碳复合物是硫源与多孔碳材料熔融复合所得。为了达到上述目的，本专利技术采取以下的技术方案：一种阳离子基团碳布集流体的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：(1)采用氧化处理的方式，使碳布带上羟基；(2)将步骤(1)得到的羟基化的碳布，置于含有阳离子基团物质的碱性溶液中，在加热条件下进行处理；(3)将获得的醚化碳布与硫碳复合物一起制作成正极片，构建阳离子基团碳布集流体。其中，步骤(1)所述的氧化处理具体是通过浓硝酸处理。其中，步骤(2)所述的阳离子基团物质为3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵。其中，所述含有阳离子基团物质的碱性溶液中，所用醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵浓度为0.1～100wt％，优选50wt％～80wt％；其中，步骤(2)所述碱性溶液为氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐、氨水任意一种或至少两种的组合加入到水中，制成碱性水溶液。碱性水溶液，如氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氨气等任意一种或至少两种的组合；其中，步骤(2)加热温度为25℃～100℃；优选60℃～80℃；加热时间为0.1h～48h，优选3h；其中，步骤(3)所述硫碳复合物具体为硫源熔融复合碳材料，其中碳材料包括零维碳材料、一维碳材料、二维碳材料中的一种或几种；优选多孔碳球、石墨烯、石墨炔和碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述多孔碳材料的孔道直径为0.1～8nm，如1nm、1.5nm、2nm、3nm、4nm中的一种。优选地，所述多孔碳材料的比表面积为100～10000m2/g，优选300～3000m2/g，如300m2/g、500m2/g、800m2/g、1000m2/g、2000m2/g的一种；所述硫源包括硫化物、硫粉中的一种或两种。所述硫化物包括硫化钠、硫化锂、硫化锰、硫化钴、硫化镍、硫化钼、硫化镓、硫化钙和硫化钡等中的一种或至少两种的组合；其中，所述硫源与碳材料的质量比为1～10:1；优选1～4:1，如1:1、2:1、3:1中的一种；所述硫源与多孔碳材料熔融复合的加热温度为121～185℃，如125℃、135℃、145℃、155℃、165℃、175℃中的一种，加热时间为1～10h。优选2～3h。本专利技术目的之二是在锂硫电池正极中添加具有阳离子基团的物质(Z)-1-(3-氯-2-丙烯基)-3,5,7-三氮杂-1-氮翁三环[3.3.1.L3,7]癸烷氯化物，简称4N。解决中间产物多硫化物溶解性问题，进而赋予了锂硫电池优异的性能。优选地，所述硫源与阳离子基团添加剂的质量比为1～10:1，优选1～5:1，例如5:1、4:1、3:1中的一种；优选地，所述硫碳复合物与阳离子基团添加剂的混合方式为研磨混合；所述含有阳离子基团的添加剂也可以表面活性剂，可以增加电解液的浸润性，能在正极处于紧密压缩下，仍可以保证电解液对电池体系的良好浸润。优选地，含有阳离子基团的正极压缩比例为0～80％，优选20％～60％，例如20％或40％。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：引入阳离子基团的锂硫电池体系，对中间产物多硫化物阴离子具有吸附作用，不管在低硫负载量还是在高硫负载量的情况下，锂硫电池体系都能保持高容量稳定循环。附图说明图1为含阳离子基团正极的首次充放电曲线；图2为含有不同量的阳离子基团正极的首次充放电曲线；图3为含阳离子基团正极的充放电循环图；图4为阳离子基团正极压缩后的充放电循环图。具体实施方式为便于理解本专利技术，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例中的硫碳复合物的制备步骤包括：(1)不定型碳在1900℃、氮气气氛下煅烧，高温使不定型碳转变为石墨化的碳，留有部分未转化为的不定型碳。石墨化碳较之不定型碳，具有更大的燃点。(2)将煅烧后的碳材料，置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阳离子基团碳布集流体，其特征在于：通过在碳布的碳纤维醚化处理接有阳离子基团；通过活性物质硫碳复合物提供高导电性和附着位点，碳纤维上的阳离子基团对电化学反应产生的中间产物多硫化物负离子起吸附作用，从而构建阳离子基团碳布集流体。/n

【技术特征摘要】
1.一种阳离子基团碳布集流体，其特征在于：通过在碳布的碳纤维醚化处理接有阳离子基团；通过活性物质硫碳复合物提供高导电性和附着位点，碳纤维上的阳离子基团对电化学反应产生的中间产物多硫化物负离子起吸附作用，从而构建阳离子基团碳布集流体。


2.如权利要求1所述的一种阳离子基团碳布集流体的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：
（1）采用氧化处理的方式，使碳布带上羟基；
（2）将步骤（1）得到的羟基化的碳布，置于含有阳离子基团物质3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵的碱性溶液中，在加热条件下进行处理；
（3）将获得的醚化碳布与硫碳复合物一起制作成正极片，构建阳离子基团碳布集流体。


3.如权利要求2所述的一种阳离子基团碳布集流体的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的氧化处理具体是通过浓硝酸处理。


4.如权利要求2所述的一种阳离子基团碳布集流体的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述碱性溶液为氢氧化物、碳酸盐、碳酸氢盐、氨水任意一种或至少两种的组合加入到水中，制成碱性水溶液。


5.根据权利要求2所述的一种阳离子基团碳布集流体，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：江国强，陈辉，郑远辉，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35