一种具有阵列结构的复合正极材料及应用制造技术

本发明专利技术公开一种具有阵列结构的复合正极材料，包括硫和具有阵列结构的基底材料；其中，硫通过热合成与基底材料结合；硫与基底材料的质量比为1:2至1:4；本发明专利技术的复合材料为硫提供丰富的活性吸附位点，有利于抑制多硫化锂的穿梭扩散行为，提升锂硫电池性能。提升锂硫电池性能。提升锂硫电池性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有阵列结构的复合正极材料及应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，特别是涉及一种具有阵列结构的复合正极材料、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]锂硫电池因其高达2600Wh kg
‑1的理论能量密度、成本低以及环境友好等优势引起了世界范围内的广泛关注。然而，硫并非电极的理想材料。实现真正产业化应用的锂硫电池仍面临诸多挑战，其中反应中间产物多硫化锂的“溶解穿梭行为”及其迟缓的动力学转化过程严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。
[0003]现有技术对锂硫电池单质硫的固定一般载量不高或者步骤繁琐，例如采用连续的碳包覆及溶液相氧化反应法，合成了碳包硫纳米片，在制备纯硫化锌纳米片时需将硫化锌杂化纳米片在高温惰性环境下进行煅烧。该方法对设备有一定要求，且步骤繁琐不适宜大规模生产，此外，还有方法将升华硫与介孔氧化硅混合，经过二次煅烧，通过毛细管力将硫单质嵌入孔径内，得到氧化硅硫复合物，该技术方案通过毛细管力完成固硫，其牢固性仍然差强人意。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种具有阵列结构的复合正极材料，本专利技术为硫提供丰富的活性吸附位点，有利于抑制多硫化锂的穿梭扩散，提升锂硫电池性能。
[0005]为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：一种具有阵列结构的复合正极材料，包括硫和具有阵列结构的基底材料；
[0006]其中，硫通过热合成与基底材料结合；
[0007]硫与基底材料的质量比为1:2至1:4。
[0008]优选所述基底材料包括炭材料和氧化锡，其中，氧化锡片状生长于炭材料。本专利技术中片状的氧化锡一方面有利于提高正极容量，同时其自身特殊的片状结构配合炭材料，尤其是具有一定空间结构的炭材料，其对硫元素的限位实现明显，保证元素与炭材料的均匀结合；同时氧化锡对于提高正极材料的容量和结构稳定性也具有一定的贡献。
[0009]优选所述基底材料的制备方法包括以下步骤：
[0010]步骤一、将硫代乙酰胺、四氯化锡加到异丙醇溶剂中，硫代乙酰胺、四氯化锡和异丙醇的质量比为1：1：2，超声溶解；
[0011]步骤二、将丙酮：硝酸：炭材料加入至步骤一所得混合物，其中丙酮、硝酸和炭材料的质量比为1：1：5至1：1：8；
[0012]步骤三、将步骤二所得物料转移至反应釜中进行水热反应，得基底材料前躯体；
[0013]步骤四、将基底材料前驱体煅烧得到阵列结构基底材料。
[0014]本专利技术正极材料在制备过程将经超声溶解的原料转移到聚四氟乙烯反应釜。反应釜容积为反应原料溶液体积的2至3倍，反应釜太小，反应时压力大，有危险；反应釜太大，反
应时间长。步骤二中向反应釜中继续加入质量比为1：1：(5至8)的丙酮、硝酸和炭材料，本专利技术中炭材料较少，氧化锡生长位点少，反应慢；炭材料太多，氧化锡无法完全覆盖，产物氧化锡覆盖率低；而SnO2对多硫化锂的穿梭效应具有显著的抑制效果，可提升产品循环性能，氧化锡覆盖量大，循环性能越好。本专利技术步骤二中丙酮、硝酸提供反应环境，帮助反应进行时，电子传导，其本身反应前后不发生变化。
[0015]优选步骤三水热反应的工艺条件为：
[0016]温度
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160
‑
180℃；
[0017]反应时间
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24h；
[0018]水热反应结束，产物放入80℃烘箱中干燥24h。
[0019]优选步骤四基底材料前驱体煅烧的工艺条件为：煅烧温度500℃，煅烧时间2h。本专利技术中煅烧温度太低、时间短，产物反应不完全；温度高、时间长，有副产物出现，降低产物性能。
[0020]优选所述炭材料为石墨烯、碳纳米管、碳纳米角和碳纤维中的一种。本专利技术中炭材料作为基底材料，硫元素生长于炭材料，借助炭材料的规律性，生长为具有阵列结构的硫元素材料，阵列结构可使硫元素结构更加的稳定，同时基底炭材料的导电性可以使产物的综合导电性增强。
[0021]优选硫与基底材料的热合成反应条件如下：
[0022]将硫和基底材料加入硫化碳，静置12小时，过滤粉末后；将过滤后液体加入反应釜中，具体的工艺条件为：
[0023]反应温度
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130℃至160℃；
[0024]条件时间
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24h。
[0025]本专利技术中静置时间太短，粉末无法完全沉淀，时间太长，生产效率低。
[0026]本专利技术的另一目的在于提供一种具有阵列结构复合正极材料的锂离子电池，本专利技术的循环性能显著提升。
[0027]为解决此技术问题，本专利技术的技术方案是：将本专利技术制得的复合正极材料应用于锂离子电池。
[0028]优选所述锂离子电池为液体电池或者固态电池。
[0029]通过采用上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0030]本专利技术将硫通过热合成与具有阵列结构的基底材料结合，硫生长于基底材料的过程中通过基底材料自身的阵列结构对硫的结合位置进行限定和控制，为硫提供丰富的活性吸附位点，因此所得的具有阵列结构的硫
‑
基底材料微纳米复合正极材料自身稳定性高，有利于抑制多硫化锂的穿梭扩散行为，提升锂硫电池性能；
[0031]本专利技术通过控制硫与基底材料的质量比，有效保证所得正极材料的空间结构性和硫结合的稳定性，利于提高作为正极材料使用时的吸液性能与循环性能；
[0032]将本专利技术具有阵列结构的硫
‑
基底材料微纳米复合正极材料应用于电池中，电池体系吸液性更好，可延长电池的循环寿命。
[0033]从而实现本专利技术的上述目的。
附图说明
[0034]图1是实施例4具有阵列结构的复合正极材料的SEM图；
[0035]图2是本专利技术中实施例1至4所得复合正极材料制备锂硫电池的循环性能曲线；
[0036]图3中,(a)是氧化锡、硫化硒的XRD谱图，(b)是实施例4所得正极材料的XRD图谱。
具体实施方式
[0037]为了进一步解释本专利技术的技术方案，下面通过具体实施例来对本专利技术进行详细阐述。
[0038]实施例1
[0039]本实施例提供一种硫
‑
氧化锡
‑
石墨烯复合正极材料，具体制备方法包括以下步骤：
[0040]步骤一、将1份(质量份数)硫代乙酰胺和1份四氯化锡加到2份的异丙醇溶剂中，超声溶解后转移到聚四氟乙烯反应釜中，反应釜体积为溶液体积的2倍；
[0041]步骤二、将1份丙酮、1份硝酸和5份石墨烯加入至步骤一所得混合物中；
[0042]步骤三、将反应釜在160℃条件下反应24h。
[0043]反应结束，产物放入80℃烘箱中干燥24h，得到基底材料前驱体；
[0044]步骤四、将基底材料前驱体通过500℃条件下煅烧2h，得到阵列结构基底材料；
[0045]步骤五、将1份硫粉和2份基底材料加入到硫化碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有阵列结构的复合正极材料，其特征在于：包括硫和具有阵列结构的基底材料；其中，硫通过热合成与基底材料结合；硫与基底材料的质量比为1:2至1:4。2.如权利要求1所述的一种具有阵列结构的复合正极材料，其特征在于：所述基底材料包括炭材料和氧化锡，其中，氧化锡片状生长于炭材料。3.如权利要求1所述的一种具有阵列结构的复合正极材料，其特征在于：所述基底材料的制备方法包括以下步骤：步骤一、将硫代乙酰胺、四氯化锡加到异丙醇溶剂中，硫代乙酰胺、四氯化锡和异丙醇的质量比为1：1：2，超声溶解；步骤二、将丙酮：硝酸：炭材料加入至步骤一所得混合物，其中丙酮、硝酸和炭材料的质量比为1：1：5至1：1：8；步骤三、将步骤二所得物料转移至反应釜中进行水热反应，得基底材料前躯体；步骤四、将基底材料前驱体煅烧得到阵列结构基底材料。4.如权利要求3所述的一种具有阵列结构的复合正极材料，其特征在于：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚辉，吴丽军，陈亚，龙海涛，王亚峰，
申请(专利权)人：江苏智泰新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：