一种碳纳米棒复合材料的制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种碳纳米棒复合材料的制备方法，包括：取尿素、CoCl2·

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米棒复合材料的制备方法和应用


[0001]本专利技术属于二次电池
，尤其涉及一种碳纳米棒复合材料的制备方法和应用，具体为一种金属钴嵌入的石油沥青基多孔多囊泡碳纳米棒的制备方法和在锂硫电池正极材料中的应用。

技术介绍

[0002]随着经济的飞速发展以及环境污染的日益加剧，人们对于清洁能源的需求日益旺盛。为了能够实现对能源的连续高效存储和转化，具有优异储能表现的电化学储能器件得到了人们的广泛关注和研究。锂硫电池由于理论比容量高以及正极材料硫储量丰富、成本低等优点，被认为是下一代低成本、高性能储能器件的理想选择。
[0003]受电极材料本身性质的影响，锂硫电池技术发展面临巨大的挑战：单质硫及其放电产物的电子、离子导电性差，使其难以达到理论容量，且可逆性也受到影响；硫和硫化锂的密度分别为2.03g/cm3和1.66g/cm3，在放电过程中伴随高达80％的体积膨胀，严重破坏电极结构，缩短电池使用寿命；单质硫还原生成Li2S的过程是一个多相多步反应的过程，中间产物多硫化锂易溶于有机电解液发生穿梭效应，导致正负极活性物质损失，容量快速衰退。正极硫自身性质缺陷是锂硫电池主要问题的“始作俑者”，因而通过正极材料的改性来解决锂硫电池的上述问题是提高电池性能的主要途径。
[0004]碳材料是最常用的一种硫宿主材料，其优异的导电性以及发达的孔隙结构有利于提高正极导电性以及容纳体积膨胀。特别地，具有中空结构的多孔碳，如中空碳球、中空碳纳米纤维和中空碳纳米棒等，可以提供更充足的空间来封装硫以及容纳放电过程造成的体积膨胀，因而在锂硫电池正极中具有很好的应用前景。然而，由于极性差异，中空碳与极性多硫化锂之间仅存在较弱的物理相互作用，无法有效抑制多硫化锂从正极逃逸。另外，多硫化锂转化为固态硫化锂的反应速率较慢，导致多硫化锂在正极侧浓度过高，加剧穿梭效应。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种碳纳米棒复合材料的制备方法和应用，将其制备成锂硫电池的正极材料能够较好地提升锂硫电池的电化学性能。
[0006]本专利技术提供了一种碳纳米棒复合材料的制备方法，包括：
[0007]将尿素和CoCl2·
6H2O溶于水中进行水热反应，得到碱式碳酸钴纳米棒模板；
[0008]将石油沥青和所述碱式碳酸钴纳米棒模板混合后煅烧，得到碳纳米棒复合材料。
[0009]优选的，所述尿素、CoCl2·
6H2O和水的用量比例为(150～200)mg：(280～320)mg：(60～100)mL。
[0010]优选的，所述水热反应的温度为110～130℃；时间为4～8h。
[0011]优选的，所述碱式碳酸钴纳米棒模板和石油沥青的质量比为(1～3)：1。
[0012]优选的，所述煅烧的方法优选包括：
[0013]依次进行一次煅烧和二次煅烧；
[0014]所述一次煅烧的温度为300～400℃；
[0015]所述二次煅烧的温度为850～950℃。
[0016]优选的，所述煅烧后还包括：
[0017]将煅烧后的产物进行酸洗、过滤和干燥，得到碳纳米棒复合材料。
[0018]本专利技术提供了一种正极材料的制备方法，包括：
[0019]将硫和碳纳米棒复合材料混合后加热，得到正极材料；
[0020]所述碳纳米棒复合材料为上述技术方案所述的方法制备得到的碳纳米棒复合材料。
[0021]优选的，所述硫和碳纳米棒复合材料的质量比为(5～9):(2～4)。
[0022]本专利技术提供了一种正极电极片，包括：上述技术方案所述的方法制备得到的正极材料。
[0023]本专利技术提供了一种锂硫电池，包括：上述技术方案所述的正极电极片。
[0024]金属单质被证明可以通过强的化学作用有效锚定多硫化锂并加快其转化反应动力学。将碳与金属单质复合可以综合两者优点，有效改善硫正极存在的问题，进而提高锂硫电池的电化学性能。对于碳/金属复合宿主材料，碳源的选择、碳结构调控以及金属尺寸、分散情况对锂硫电池电化学性能有显著影响，石油沥青作为传统化石能源的副产物，具有许多优点：碳元素的含量高，碳化后所得碳材料的收率高；沥青来源丰富、价格低廉，有利于实现储能碳材料的规模化制备；沥青具有高温熔融流变特性，可利用模板法得到各种形貌的碳材料，将沥青基碳材料应用到储能领域，既能实现石油沥青的高附加值利用，又有利于新旧能源协同发展。金属单质大多以大尺寸纳米颗粒甚至大的块体结构分散在碳材料中，这不仅阻塞了离子传输通道，而且本征密度高、活性位点利用率较低，不利于电池整体质量比容量的提高；因此，小尺寸、低含量、高活性的金属催化剂是最佳选择。
[0025]本专利技术制备得到的碳纳米棒复合材料(Co
‑
HPCN)具有丰富的分级多孔结构以及中空囊泡结构，而且钴以原子簇形式高度分散在碳基底中；将其作为正极宿主材料，可通过物理限域以及化学吸附作用有效锚定硫物种，并加快其转化反应动力学，有效抑制多硫化锂扩散引发的穿梭效应。采用本专利技术制备得到的硫和Co
‑
HPCN的复合物作为正极材料构筑的锂硫电池表现出超高的比容量以及优异的循环稳定性。
附图说明
[0026]图1为本专利技术实施例1制备的Co
‑
HPCN
‑2‑
350
‑
0.1
‑
4的TEM图，标尺为0.2μm；
[0027]图2为本专利技术实施例1制备的Co
‑
HPCN
‑2‑
350
‑
0.1
‑
4的AC
‑
HAADF
‑
STEM图，标尺为5nm；
[0028]图3为本专利技术实施例1制备的Co
‑
HPCN
‑2‑
350
‑
0.1
‑
4的XRD图；
[0029]图4为本专利技术对比例1制备的PA
‑
350
‑
900的SEM图，标尺为50μm；
[0030]图5为本专利技术对比例2制备的Co
‑
CN
‑2‑
0.1
‑
4的TEM图，标尺为500nm；
[0031]图6为本专利技术对比例2制备的Co
‑
CN
‑2‑
0.1
‑
4的XRD图；
[0032]图7为本专利技术对比例3制备的Co
‑
C
‑2‑
350
‑
900的TEM图，标尺为500nm；
[0033]图8为本专利技术对比例3制备的Co
‑
C
‑2‑
350
‑
900的XRD图。
具体实施方式
[0034]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一部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米棒复合材料的制备方法，包括：将尿素和CoCl2·
6H2O溶于水中进行水热反应，得到碱式碳酸钴纳米棒模板；将石油沥青和所述碱式碳酸钴纳米棒模板混合后煅烧，得到碳纳米棒复合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述尿素、CoCl2·
6H2O和水的用量比例为(150～200)mg：(280～320)mg：(60～100)mL。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水热反应的温度为110～130℃；时间为4～8h。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱式碳酸钴纳米棒模板和石油沥青的质量比为(1～3)：1。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴明铂，张梦迪，刘海燕，刘涛，韩飞，苑文菡，张奎同，尹天洢，王勇，王目周，李冰，
申请(专利权)人：中国石油大学华东兖矿化工有限公司兖矿新能源研发创新中心，
类型：发明
国别省市：