一种载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料及其制备方法和用途技术

技术编号:32851729 阅读:10 留言:0更新日期:2022-03-30 19:08
本发明专利技术提供了一种载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料及其制备方法和用途,制备方法为:采用自模板法先在碳纤维布基底上生长多面体ZIF

【技术实现步骤摘要】
一种载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于电池电极材料合成领域,特别是涉及一种载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]锂离子二次电池作为一种高能量转化效率、低成本、无污染、使用寿命长的储能系统在当前的生产生活中发挥了巨大的作用。然而目前商业化锂离子电池实际容量和能量密度较小,严重制约电动汽车、电子产品、智能电网等行业的发展,迫切需要高能量密度的可充电电池来满足便携式设备和电动汽车等日益增长的需求,这促使研究人员亟需开发更加合理有效的电池能源系统。锂硫电池(Li-S电池)具有超高的理论能量密度(2600Wh kg-1
)和超高的理论容量(1675mAh g-1
),而且硫元素具有在地壳中含量丰富、廉价、无毒无污染等优点,锂硫电池因而视为提升能量密度最具前景的新型储能电池之一。然而,锂硫电池的实际应用还面临着一些挑战。硫元素及其放电产物Li2S的绝缘性,本身电导率较差,直接限制了电化学反应并导致活性材料的利用率变低。中间体多硫化锂可溶于用于Li-S电池的有机电解液中,多硫化物在电解液中具“穿梭效应”,这会导致库仑效率降低,容量快速衰减稳定性降低和自放电率高。锂化时从S8到Li2S的锂化/脱锂过程导致约80%的体积膨胀,体积膨胀会导致正极结构的破裂粉碎,活性材料硫从正极脱离,脱离的这部分活性材料的损失会导致永久性的容量损失。
[0003]为了解决这些问题,人们致力于设计新型硫基体材料,特别是中空多孔结构材料。多孔结构可以通过物理限制来捕获纳米孔内的多聚硫化锂。然后,非极性碳材料和硫物质之间的相互作用通常太弱,无法抑制多硫化物在长期循环中的扩散。尽管杂原子掺杂/取代碳可为多硫化物的化学吸附提供一些极性位点,但结合能仍然很低,特别是当掺杂浓度过高时,电导率会下降。为了改善中间多硫化物的约束,无机极性材料(如金属氧化物、硫系化合物、氮化物、MXene等)由于其和硫物质具有强烈的化学亲和性而受到广泛关注。然而,极性基质材料的导电率普遍较低;高的电荷转移阻力会导致界面氧化还原反应动力学缓慢,从而降低硫的利用率和速率。此外,与纳米碳材料不同,极性材料通常不能提供较大的孔体积用于储存硫物质。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点,本专利技术的目的在于提供一种载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料及其制备方法和用途,用于解决现有技术中锂硫电池正极的导电性差、电池循环性能低和使用寿命短的问题,通过对硫正极材料进行研究,从而使其具有优良的导电性能,较强的化学吸附作用以及特殊的物理结构来限制硫的粉化,避免正极结构的崩塌,来实现锂硫电池的高稳定性,高循环容量。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的,本专利技术是通过以下技术方案获得的。
[0006]本专利技术提供了一种载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料制备方法,所述制备方法如下:
[0007]1)将钴盐溶解在醇中,得到溶液A;
[0008]2)将2-甲基咪唑溶解在醇中,得到溶液B;
[0009]3)将溶液B倒入溶液A中,搅拌混合后,加入碳纤维布浸泡,得到ZIF-67/碳纤维复合材料;
[0010]4)将步骤3)制备得到的ZIF-67/碳纤维复合材料放入硫源的醇溶液中进行水热反应,得到Co9S8/碳纤维复合材料;
[0011]5)将步骤4)制备得到的Co9S8/碳纤维复合材料浸泡在硫的二硫化碳溶液中反应,然后惰性气体保护下熏硫,得到载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材。
[0012]本专利技术以碳纤维布为基底,利用其导电性好,加速电子的传输,提高了电池的倍率性能,同时碳纤维布具有良好的柔软性,可弯曲性,载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料可以直接作为电池正极使用。
[0013]优选地,步骤1)中,所述钴盐为硝酸钴、氯化钴中的一种或两种,所述溶液A的浓度为0.1~0.28mol/L。更优选地,所述溶液A的浓度0.15~0.24mol/L。
[0014]优选地,步骤2)中,所述溶液B的浓度为0.03~2.4mol/L。更优选地,所述溶液B的浓度为0.08~0.18mol/L。
[0015]优选地,步骤3)中,所述碳纤维布、钴盐、2-甲基咪唑之间的质量比为1:(55-65):(65-75)。
[0016]优选地,步骤3)中,所述搅拌时间为2s~5min。更优选地,所述搅拌时间为30s~3min。
[0017]优选地,步骤3)中,所述浸泡后还包括取出、乙醇洗涤和干燥的步骤,所述浸泡时间为10~48h;所述干燥温度为28~100℃,干燥时间为2~24h。更优选地,所述浸泡时间为12~34h;所述干燥温度为50~80℃,干燥时间为5~12h。
[0018]优选地,步骤4)中,所述ZIF-67/碳纤维复合材料与硫源的质量比为1:(15~25)。
[0019]优选地,步骤4)中,所述硫源为硫化钠、硫代乙酰胺和硫脲中的一种或多种,所述硫源的醇溶液的浓度为0.02~0.06mol/L。更优选地,所述硫源的醇溶液的浓度为0.023~0.045mol/L。
[0020]优选地,步骤4)中,所述水热反应结束后还包括取出、洗涤和干燥的步骤。更优选地,所述水热反应的温度为90~180℃,水热反应时间为0.5~12h。更优选地,所述水热反应的温度为110~180℃,水热反应时间1~6h。更优选地,所述干燥温度为45~100℃,干燥时间为4~36h。更优选地,所述干燥温度为50~90℃,干燥时间为5~24h。
[0021]优选地,步骤1)中,所述的醇为甲醇;步骤2)中,所述的醇为甲醇;步骤4)中,所述的醇为乙醇。
[0022]优选地,步骤5)中,所述硫的二硫化碳溶液浓度为1.40~1.65mol/L,所述Co9S8/碳纤维复合材料与硫的二硫化碳中硫的质量比为1:(18~24)。更为优选地,所述述Co9S8/碳纤维复合材料与硫的二硫化碳中硫的质量比为1:(20~22)。
[0023]优选地,步骤5)中,所述熏硫在惰性气氛下采用熔盐法进行,Co9S8/碳纤维复合材料与熏硫中硫的质量比为1:(12~16);所述熏硫温度为130~200℃,熏硫时间为12~40h。
具体地,所述惰性气氛为纯氩气。更为优选地,所述Co9S8/碳纤维复合材料与熏硫中硫的质量比为1:(13~15);所述熏硫温度为145~165℃,熏硫时间为12~36h。本申请中,所述熏硫采用熔盐法进行,具体为:将样品与S混合,混合物转移至充满氩气的瓶内,将瓶口封紧,放置烘箱中熏硫。经熏硫后,Co9S8/碳纤维复合材料上面负载有粒径为200~300nm左右的硫颗粒,熏硫法不仅制备方法简单,而且经熏硫后负载的硫颗粒更加圆滑且分布均匀。
[0024]本专利技术还提供了载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料,由包括如上述方法制备获得。所述制备得到的载有硫的中本文档来自技高网
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法如下:1)将钴盐溶解在醇中,得到溶液A;2)将2-甲基咪唑溶解在醇中,得到溶液B;3)将溶液B倒入溶液A中,搅拌混合后,加入碳纤维布浸泡,得到ZIF-67/碳纤维复合材料;4)将步骤3)制备得到的ZIF-67/碳纤维复合材料放入硫源的醇溶液中进行水热反应,得到Co9S8/碳纤维复合材料;5)将步骤4)制备得到的Co9S8/碳纤维复合材料浸泡在硫的二硫化碳溶液中反应,然后惰性气体保护下熏硫,得到载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材。2.根据权利要求1所述载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下特征中的一种或多种:步骤1)中,所述钴盐为硝酸钴、氯化钴中的一种或两种,所述溶液A的浓度为0.1~0.28mol/L;步骤2)中,所述溶液B的浓度为0.03~2.4mol/L。3.根据权利要求1所述载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料的制备方法,其特征在于,步骤3)中还包括如下特征中的一种或多种:所述碳纤维布、钴盐、2-甲基咪唑之间的质量比为1:(55-65):(65-75);所述搅拌时间为2s~5min;所述浸泡后还包括取出、乙醇洗涤和干燥的步骤;所述浸泡的时间为10~48h。4.根据权利要求3所述载有硫的中空纳米多面体八硫化九钴/碳纤维复合材料的制备方法,其特征在于,所述干燥温度为28~100℃,干燥时间为2~2...

【专利技术属性】
技术研发人员:李金金林夕蓉刘金云
申请(专利权)人:上海交通大学
类型:发明
国别省市:

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