一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料制备方法，属于多孔功能材料合成领域和锂硫电池正极材料制备技术领域。本发明专利技术利用过渡金属前驱体与多巴胺螯合作用，在碱催化作用下，通过简单的微乳液自组装方法和高温焙烧条件下，制备出负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯，将硫粉熔融扩散到其中，得到负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料。有序介孔可缓解电池充放电循环过程中单质硫的结构变化和体积膨胀，包覆的石墨烯提高了正极材料的导电性，而且双金属颗粒对多硫化物有着良好的化学吸附作用，能有效抑制其在电解液中的“穿梭效应”，本发明专利技术与现有技术相比，具有方法简单高效，安全环保，普适性可大规模推广的优点，具有很好的应用前景。景。景。

A preparation method of loaded bimetallic ordered mesoporous carbon coated graphene material for lithium sulfur battery

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料制备方法


[0001]本专利技术属于多孔功能材料合成领域和锂硫电池正极材料制备
，具体涉及过渡金属前驱体与多巴胺螯合作用，采用纳米微乳液自组装方法，制备一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，传统的锂离子电池已无法满足人们日益增长的生活需求。锂硫电池(LSBs)因其理论比容量(1675mAh g
‑1)和能量密度(2600Wh kg
‑1)较高、成本低、环境友好、价格低廉等优点，成为最具发展前景的下一代高能量密度电池。然而锂硫电池仍面临着一些亟待解决的问题：1)在充放电过程中的结构变化和体积膨胀；2)溶解在电解质中的多硫化锂引起的“穿梭效应”，导致容量衰减，库伦效率低；3)硫和放电产物Li2S/Li2S2电导率低，导致电池倍率性能和循环性能较差；
[0003]设计碳基材料作为硫的功能性支架可提高锂硫电池的性能，通常将硫封装在多孔碳材料内来缓解硫在循环中的体积膨胀和结构变化，同时通过物理吸附中间产物多硫化物，减少其扩散。但由于非极性碳与极性多硫化物的物理相互作用很弱，在循环过程中形成的中间产物多硫化锂大部分仍会溶解到醚基电解液中，引起“穿梭效应”，导致硫利用率低，循环性能差。

技术实现思路

[0004][要解决的技术问题][0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是发展一种普适，简单的合成方法制备一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料，有效提高锂硫电池的性能。本专利技术合成条件温和，合成过程简单，对多种金属前驱体适用，容易实现快速高效的大量生产，具有很好的应用前景和商业价值。
[0006][技术方案][0007]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：将表面活性剂、有机溶剂、聚合物单体盐酸多巴胺，以及氧化石墨烯分散于去离子水和乙醇的混合溶液中，加入目标双金属离子溶液和碱，在室温下反应过夜；通过离心分离、洗涤、冷冻干燥得到双金属掺杂的高分子聚合物；
[0009]步骤二：将步骤一中得到的固体在惰性气体的保护下，高温焙烧数小时，即可得到负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯；
[0010]步骤三：将负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯与硫粉混合均匀后，置于管式炉内，在惰性气体气氛下熔融扩散，得到负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料。
[0011]本专利技术进一步的技术方案，在步骤一中，所述盐酸多巴胺质量为0.1g～1.2g；表面活性剂为Pluronic F
‑
127，P123中的一种，表面活性剂的质量为0.1g～1.2g；氧化石墨烯质量为2mg～20mg；去离子水和乙醇体积各为5～50mL。
[0012]本专利技术进一步的技术方案，在步骤一中，所述有机溶剂选自均三甲苯、乙醚、或其混合物，体积为0.2mL～2.5mL。
[0013]本专利技术进一步的技术方案，在步骤一中，所述目标双金属离子选自硝酸钴、氯化钴、醋酸钴、硝酸镍、氯化镍、醋酸镍、硝酸铁、醋酸亚铁、硫酸亚铁铵、硫酸亚铁、氯化亚铁、氯化铁中的两种，分别为0.02～0.25mmol。
[0014]本专利技术进一步的技术方案，在步骤一中，所述碱为氨水、Tris碱(三羟甲基氨基甲烷)、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种，体积为0.2mL～2.5mL。
[0015]本专利技术进一步的技术方案，在步骤二中，所述焙烧惰性气氛为氮气、氩气中的一种；焙烧温度为400～1000℃；焙烧时间为1～4小时；升温速率为1～5℃/min。
[0016]本专利技术进一步的技术方案，在步骤三中，所述负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯与硫粉质量比为1：(1～4)；惰性气氛为氮气、氩气中的一种；熔融扩散温度为100～400℃；熔融扩散时间为10～20小时；升温速率为1～5℃/min。
[0017][有益效果][0018]本专利技术与现有技术相比，具有以下的有益效果：
[0019]1、本专利技术所制备的负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯，利用过渡金属前驱体与多巴胺螯合作用，同时适用于多种金属前驱体。
[0020]2、本专利技术所制备的负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯，能有效的载硫，缓解硫在循环中的体积膨胀和结构变化，同时提高锂硫电池正极材料的导电性。
[0021]3、本专利技术所制备的有序介孔碳和双金属颗粒对多硫化物起着良好的物理和化学吸附。
[0022]4、本专利技术所制备的负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料，有效提高了锂硫电池的充放电比容量、倍率性能、库伦效率和循环稳定性。
[0023]5、本专利技术所提供的制备方法合成条件温和，合成过程简单，容易实现快速高效的大量生产，具有很好的应用前景和商业价值。
附图说明
[0024]图1为实施例1制备得到的负载CoNi双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的透射电子显微镜照片和扫描电子显微镜照片；
[0025]图2为实施例1制备得到的负载CoNi双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料在电流密度为0.2C下的循环曲线；
[0026]图3为实施例2制备得到的负载CoFe双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的透射电子显微镜照片；
[0027]图4为实施例2制备得到的负载CoFe双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料在电流密度为0.1C下的充放电曲线；
[0028]图5为实施例2制备得到的负载CoFe双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料在不同电流密度下的倍率性能。
具体实施方式
[0029]下面结合本专利技术的实施例对本专利技术作进一步的阐述和说明。
[0030]实施例1
[0031]步骤一：将10mg氧化石墨烯分散于20mL去离子水中形成溶液A；将0.4g F127分散于20mL无水乙醇中形成透明溶液B，在磁力搅拌条件下向溶液B中加入1mL TMB；5分钟后将溶液A倒入透明溶液B中，搅拌形成微乳液C；将0.4g盐酸多巴胺、0.1mmol NiCl2·
6H2O和0.1mmol CoCl2·
6H2O加入微乳液C中搅拌使其溶解完全，1h后向微乳液C中逐滴加入1mL氨水，室温搅拌反应过夜后，通过去离子水和乙醇至少离心洗涤3次以上，冷冻干燥后得到CoNi双金属掺杂的高分子聚合物；
[0032]步骤二：将步骤一中得到的产物置于管式炉内，在N2保护下，高温750℃焙烧2个小时，升温速率为2℃/min，得到负载CoNi双金属的有序介孔碳包覆石墨烯；
[0033]步骤三：将负载CoNi双金属的有序介孔碳包覆石墨烯与硫粉(按质量比为3:7)混合均匀后，置于管式炉内，在氩气保护气氛下由室温升温至155℃，升温速率为2℃/min，保温12小时熔融扩散，得到负载CoNi双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料制备方法，其特征在于它包括以下步骤：步骤一：将表面活性剂、有机溶剂、聚合物单体盐酸多巴胺，以及氧化石墨烯分散于去离子水和乙醇的混合溶液中，加入目标双金属离子溶液和碱，在室温下反应过夜；通过离心分离、洗涤、冷冻干燥得到双金属掺杂的高分子聚合物；步骤二：将步骤一中得到的固体在惰性气体的保护下，高温焙烧数小时，即可得到负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯；步骤三：将负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯与硫粉混合均匀后，置于管式炉内，在惰性气体气氛下熔融扩散，得到负载双金属的有序介孔碳包覆石墨烯的锂硫电池正极材料。2.根据权利要求1所述的一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料制备方法，其特征在于步骤一中，所述盐酸多巴胺质量为0.1g～1.2g；表面活性剂为Pluronic F
‑
127，P123中的一种，表面活性剂的质量为0.1g～1.2g；氧化石墨烯质量为2mg～20mg；去离子水和乙醇体积各为5～50mL。3.根据权利要求1所述的一种用于锂硫电池的负载双金属有序介孔碳包覆石墨烯材料制备方法，其特征在于步骤一中，所述有机溶剂选自均三甲苯、乙醚、或其混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳秦，黄政，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：