一种多级结构复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电化学储能领域，涉及一种多级结构复合材料及其制备方法和应用。多级结构复合材料包括炭管

【技术实现步骤摘要】
一种多级结构复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电化学储能领域，涉及一种多级结构复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]单质硫的理论比容量为1675mAh/g，并且单质硫储量丰富，价格低廉，以单质硫为正极、金属(如锂、钠、钾、镁等)为负极制备的金属
‑
硫电池具有高的理论比能量，比如锂硫电池的理论比能量高达2600Wh/kg，是非常有前景的电化学储能体系。但是金属
‑
硫电池的应用面临很多障碍：首先，单质硫的电导率低，使活性物质不能充分利用，比容量不能充分表达；其次，在充放电过程中中间产物多硫化物溶于电解液，在正负极之间形成“穿梭效应”使电池容量持续衰减；第三，硫和放电产物的密度差异导致充放电过程中的体积膨胀，破坏电极结构等。这些障碍导致锂硫电池的容量不能充分表达，循环稳定性差，影响了锂硫电池的实际应用。

技术实现思路

[0004]为了改善金属
‑
硫电池比容量低和循环稳定性差的问题，本专利技术的目的是提供一种多级结构复合材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的多级结构复合材料可以提高硫的利用率，促进离子/电子的快速传输，并通过物理限域和化学吸附双重作用抑制金属
‑
硫电池的穿梭效应，最大程度地提升电池的电化学性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一方面，一种多级结构复合材料，包括炭管
‑
硫复合材料，所述炭管
‑
硫复合材料由炭管负载单质硫形成，所述炭管为中空管状结构的炭，中空管状结构的管壁为多孔结构；所述炭管
‑
硫复合材料的表面包覆一层二维纳米片，所述二维纳米片为单层或多层的层片状化合物。
[0007]本专利技术中炭管具有中空的结构，炭壁具有发达的多孔结构，在炭管的炭壁内外两侧和多孔结构均可以负载硫，在炭管
‑
硫复合材料表面均匀的包覆一层二维纳米片，将硫限制在炭管与二维纳米片之间，但不影响炭管
‑
硫的整体结构；二维纳米片为单层或多层的层片状化合物，可以在炭管
‑
硫复合材料表面进行包覆。本专利技术构筑多级结构的作用为：一维炭管提供丰富的空间负载硫并促进离子的快速传输，炭管的导电性有利于电子的传输，提高硫的利用率；包覆的二维纳米片通过物理作用限制硫，并且二维纳米片可以通过化学键阻止硫的衍生物的迁移。
[0008]另一方面，一种多级结构复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0009]将炭管与硫充分复合、热处理后制备炭管
‑
硫复合材料；
[0010]将炭管
‑
硫复合材料分散在表面活性剂的溶液中，对炭管
‑
硫复合材料进行表面修
饰后逐滴加入二维纳米片的分散液，在炭管
‑
硫表面包覆二维纳米片，即得；
[0011]其中，所述炭管为中空管状结构的炭，中空管状结构的管壁为多孔结构。
[0012]第三方面，一种上述多级结构复合材料作为正极材料在金属
‑
硫电池中的应用。
[0013]本专利技术的有益效果为：
[0014]本专利技术提供的多级结构复合材料作为金属
‑
硫电池的正极材料使用能够增加电极的导电性和活性物质硫的利用率，提高电池容量；同时本专利技术构筑的多级结构通过物理限域和化学吸附双重作用限制多硫化物的“穿梭效应”，最大程度的提高金属
‑
硫电池的循环稳定性。另外，本专利技术构筑的多级结构的炭管
‑
硫@二维纳米片提供了足够的空间缓冲体积膨胀，促进离子/电子的快速传输，有利于提升电池的倍率性能。
附图说明
[0015]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0016]图1为实施例制备得到的一维棉炭的扫描电镜图；
[0017]图2为实施例制备得到的一维棉炭研磨之后的扫描电镜图；
[0018]图3为实施例制备的棉炭
‑
硫复合材料的扫描电镜图
[0019]图4为实施例制备得到的棉炭
‑
硫@MXene复合材料的扫描电镜图；
[0020]图5为实施例制备得到的棉炭
‑
硫@MXene复合材料的扫描电镜和Mapping能谱图；
[0021]图6为实施例制备得到的棉炭
‑
硫@MXene复合电极的循环性能图；
[0022]图7为实施例制备得到的棉炭
‑
硫@MXene复合电极的倍率性能图。
具体实施方式
[0023]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0024]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0025]鉴于现有金属
‑
硫电池存在比容量低和循环稳定性差的问题，本专利技术提出了一种多级结构复合材料及其制备方法和应用。
[0026]本专利技术的一种典型实施方式，提供了一种多级结构复合材料，包括炭管
‑
硫复合材料，所述炭管
‑
硫复合材料由炭管负载单质硫形成，所述炭管为中空管状结构的炭，中空管状结构的管壁为多孔结构；所述炭管
‑
硫复合材料的表面包覆一层二维纳米片，所述二维纳米片为单层或多层的层片状化合物。
[0027]本专利技术构筑多级结构的作用为：一维炭管提供丰富的空间负载硫并促进离子的快速传输，炭管的导电性有利于电子的传输，提高硫的利用率；包覆的二维纳米片通过物理作用限制硫，并且二维纳米片可以通过化学键阻止硫的衍生物的迁移。
[0028]在一些实施例中，炭管
‑
硫复合材料中的载硫量为30～95％质量百分数，优选为60
～85％，进一步优选为70～75％。
[0029]在一些实施例中，所述二维纳米片为过渡金属氮/炭化物(MXene)、石墨烯、氧化石墨烯、二维过渡金属硫化物、层状双羟基氢氧化物等中的一种或几种。由于MXene和/或石墨烯的导电性性能优异，因而优选为MXene和/或石墨烯。所述MXene材料包括Ti3C2T
x
、Ti2CT
x
、V2CT
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级结构复合材料，其特征是，包括炭管
‑
硫复合材料，所述炭管
‑
硫复合材料由炭管负载单质硫形成，所述炭管为中空管状结构的炭，中空管状结构的管壁为多孔结构；所述炭管
‑
硫复合材料的表面包覆一层二维纳米片，所述二维纳米片为单层或多层的层片状化合物。2.如权利要求1所述的多级结构复合材料，其特征是，炭管
‑
硫复合材料中的载硫量为30～95％质量百分数，优选为60～85％，进一步优选为70～75％。3.如权利要求1所述的多级结构复合材料，其特征是，所述二维纳米片为过渡金属氮/炭化物、石墨烯、氧化石墨烯、二维过渡金属硫化物、层状双羟基氢氧化物等中的一种或几种；优选为过渡金属氮/炭化物和/或石墨烯。4.一种多级结构复合材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：将炭管与硫充分复合、热处理后制备炭管
‑
硫复合材料；将炭管
‑
硫复合材料分散在表面活性剂的溶液中，对炭管
‑
硫复合材料进行表面修饰后逐滴加入二维纳米片的分散液，在炭管
‑
硫表面包覆二维纳米片，即得；其中，所述炭管为中空管状结构的炭，中空管状结构的管壁为多孔结构。5.如权利要求4所述的多级结构复合材料的制备方法，其特征是，中空管状结构炭前驱体进行炭化得到炭管；所述炭化的温度优选为400～2000℃，进一步优选为600～1500℃，更优选为800～1200℃；中空管状结构炭前驱体为具有中空管状结构的纤维，所述纤维为天然纤维或...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵倩，刘玉，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：