一种Fe7S8-CNTs/S复合锂硫电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂硫电池电极材料的制备技术领域，尤其涉及一种Fe7S8‑

【技术实现步骤摘要】
一种Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂硫电池电极材料的制备
，尤其涉及一种Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]经济社会的快速发展和能源消耗的不断增加带来了严重的环境污染和能源危机。传统化石能源以外的风能、太阳能等可再生能源技术，有效缓解了当前的能源短缺。但由于地理环境和自然条件的间歇性特点，这种能源不可能实现可持续供应为了应对这种情况，电化学能源技术，特别是可充电锂硫电池(LSBs)受到了广泛的关注。
[0003]锂硫电池(LSBs) 由于其极高的理论能量密度(2600Whkg
‑1)在学术界引起了极大的兴趣。高的理论容量(1675mAhg
‑1)单质硫完全弥补短缺的相对较低的工作电压(2.2V)。此外，硫的天然丰度和成本效益也为LSBs的大规模应用提供了可能性。不幸的是，不理想的循环寿命长期制约了LSBs的发展，导致其商业化失败。有机电解质中锂多硫化物(LiPSs)中间产物的溶解和从阴极向阳极的迁移导致了其循环稳定性差。此外，溶解的LiPS的迁移即使在贮存和休息状态下也会引起自放电。同时，硫(5
×
10
‑
30
S cm
−1)和硫化锂(Li2S) (3
×
10
−7S cm
−1)的固有电子绝缘性也导致硫利用率低，脱硫能力差。此外，基于转化机制的硫阴极在放电/充电过程中产生了80%的体积膨胀，导致活性物质粉碎并从集流器脱落。
[0004]为了解决上述问题，众多学者已应用了元素掺杂和结构设计等多种策略来改善锂硫电池的诸多问题。通常，导电的碳材料用于增强硫阴极的电导率，而金属极性材料用于改善对多硫化锂的化学亲和力，改善穿梭效应。
[0005]在此基础上，可以对硫载体材料进行结构和功能设计。例如利用空心碳纳米管来改善电导率低的问题，掺杂金属化合物来促进氧化还原反应中多硫化物转化。由此，锂硫电池的电化学性能得以提升。

技术实现思路

[0006]本专利技术针对上述问题，提供了一种 Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料，该正极材料以碳纳米管（CNTs）为导电碳材料，铁金属硫化物（Fe7S8）为催化剂，CNTs的管壁上附着Fe7S8，硫（S）负载在复合材料上。在此结构的基础上，高导电的CNTs既可实现快速高效的锂离子和电子的传输，又对多硫化物有吸附能力。此外均匀分散在CNTs表面的Fe7S8可以用作氧化还原过程中的催化剂，从而提高了锂硫电池的电化学性能。
[0007]本专利技术还提供了上述Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料的制备方法，该制备方法简单易操作，制备过程易控制。
[0008]本专利技术的技术方案为：一种 Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料，所述正极材料中CNTs为碳材料，Fe7S8附着在CNTs管壁上，S负载在Fe7S8‑
CNTs上。其中高导电的CNTs既可实现快速高效的锂离子和电子的传输，又对多硫化物有物理吸附的能力；均匀附着在CNTs表面的Fe7S8可以加快氧
化还原过程，从而提高了锂硫电池的电化学性能。
[0009]CNTs可以通过物理约束效应限制LiPSs的穿梭，一方面Fe7S8通过化学吸附LiPSs有效地抑制“穿梭效应”，另一方面将LiPS的转换活化能降低到Li2S2和Li2S。由于电极的特殊结构以及CNTs和Fe7S8的完美结合，Fe7S8‑
CNTs/S正极具有出色的电化学性能。
[0010]上述 Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料的制备方法，具体包括下列步骤：（1）将CNTs、铁盐、尿素与乙二醇混合、搅拌均匀之后置于高压反应釜中进行反应，再依次经过离心、真空干燥、煅烧，得到掺杂铁的碳纳米管前驱体；（2）将步骤（1）所得的前驱体与升华硫置于管式炉中，惰性气体下煅烧，得到Fe7S8‑
CNTs；（3）将步骤（2）得到的Fe7S8‑
CNTs与升华硫混合并研磨均匀，在惰性气氛下退火，制得 Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料，硫均匀负载在Fe7S8‑
CNTs上。
[0011]本专利技术制备的正极材料兼具吸附作用、催化作用和高导电特性，Fe7S8可以进行多硫化物吸附，同时作为催化剂。碳材料CNTs也可以进行吸附，还可以提高导电性。
[0012]根据本专利技术优选的，步骤（1）中，铁盐为九水合硝酸铁，铁盐与CNTs的摩尔比为（0.4
‑
0.8）：（5
‑
9），单位，mmol/g；铁盐与尿素的摩尔比为（0.4
‑
0.8）：（15
‑
18）；CNTs与乙二醇的摩尔比为（0.005
‑
0.009）：（1
‑
3），单位，mol/g。
[0013]进一步优选的，铁盐与CNTs的摩尔质量比为0.74：8.3，单位，mmol/g；铁盐与尿素的摩尔比为0.74：17；CNTs与乙二醇的质量体积比为0.0083：1.26，单位，g/mL。
[0014]根据本专利技术优选的，步骤（1）中，高压反应釜中反应温度为180
‑
250℃，反应时间为1
‑
3 h；进一步优选的，反应温度为200℃，反应时间为2 h。
[0015]根据本专利技术优选的，步骤（1）中，煅烧的温度为400
‑
550℃，煅烧的时间为3
‑
6h；进一步优选的，煅烧的温度为500℃，煅烧的时间为2 h。此煅烧温度可以在保证反应进行的基础上维持材料形貌特征不发生较大改变。
[0016]根据本专利技术优选的，步骤（2）中，CNTs与升华硫的质量比为（0.1
‑
0.3）：（0.2
‑
0.6），煅烧温度350 ℃
‑
550 ℃，煅烧时间1
‑
3 h；进一步优选的，CNTs与升华硫的质量比为0.1：0.2。煅烧的温度为500℃，煅烧的时间为2 h。
[0017]根据本专利技术优选的，步骤（3）中，退火的温度为100
‑
200℃，退火的时间为12
‑
15 h；进一步优选的，退火的温度为155 ℃，退火的时间为12 h。
[0018]有益效果本专利技术公开了一种Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料及其制备方法，本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1.本专利技术提供一种具有 Fe7S8‑
CNTs/S复合材料，Fe7S8不仅为多硫化物提供了吸附，而且为多硫化物通过Fe7S8的吸附和催化转化提供了较强的化学吸附和激活位点。Fe7S8的极性作用可抑制多硫化物在有机电解液中的溶解，以减轻穿梭效应，加速多硫化物的氧化还原反应动力，可以较大幅度地提高电池的容量和循环性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料，其特征在于，所述正极材料具有层间的空间结构，所述正极材料中，中空心碳纳米管CNTs上附着Fe7S8，得到纳米结构的Fe7S8‑
CNTs，S均匀负载在Fe7S8‑
CNTs上。2.一种Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，具体包括下列步骤：（1）将CNTs、铁盐、尿素与乙二醇混合、搅拌均匀之后置于反应容器中进行反应，再依次经过离心、真空干燥、煅烧，得到掺杂铁的碳纳米管前驱体；（2）将步骤（1）所得的前驱体与升华硫置于管式炉中，惰性气体下煅烧，得到Fe7S8‑
CNTs；（3）将步骤（2）得到的Fe7S8‑
CNTs与升华硫混合并研磨均匀，在惰性气氛下退火，制得Fe7S8‑
CNTs/S复合锂硫电池正极材料，其中硫均匀负载在Fe7S8‑
CNTs上。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，铁盐为九水合硝酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：任慢慢，李继晗，肖亭娇，刘伟良，杨铭志，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：