一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将钴源、CTAB和CNT水分散液混合搅拌，加入2

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂硫电池
，涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着工业发展，人们对电能存储设备的要求也越来越高。由于传统锂离子电池克容量和能量密度有限，所以开发更高容量及能量密度的新能源电池的意义十分重大。锂硫电池由于具有1675mAh/g的克容量以及2600Wh/kg的能量密度，且单质硫对于自然环境几乎无污染，所以该电池收到广大科研人员的探索和开发。
[0003]尽管锂硫电池优点众多，然而其伴随的问题也严重阻碍了其发展。首先，电池充放电的产物硫和硫化锂导电性较差，电池倍率性能受限；其次，硫正极的充放电前后体积变化较大，易导致电极结构遭到破坏；此外，活性物质硫在充放电的中间过程会转变为多硫化锂，该物质由于可溶于电解液，易从正极脱离，造成穿梭效应来到负极，在负极表面形成硫化锂，造成活性物质损失及负极锂枝晶，刺穿隔膜破坏电池。因此，制备能够抑制上述问题，提高锂硫电池性能的正极具有重大意义。
[0004]CN107768638A公开了一种锂硫电池正极材料和使用该正极材料的锂硫电池，其采用原位掺杂法将铁和氮共同引入，同时采用硬模板法来制备铁氮异原子双掺杂的多孔碳材料。
[0005]CN110931737A公开了一种锂硫电池正极材料，其在锂硫电池正极材料中加入GDC(Ce1‑
x
Gd
x
O2‑
δ
)和镍，GDC可以抑制多硫化物的穿梭效应，提高锂硫电池正极材料对氧化还原的催化性能，Ni与GDC能相结合具有较高的电子电导和离子空位，提高锂硫电池正极材料的导电性能。
[0006]尽管增加导电物质，催化颗粒，以及孔隙结构的制备已经显著提高电池的综合性能，不过这些技术未结合起来导致提升能力有限结合起来则导致成本略高；另外现今方法大多为制备负载硫的材料应用于正极，作为外界加入的物质硫难免留于材料表面，使得充放电过程该部分硫形成多硫化物后脱离正极，导致电池性能下降。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用，本专利技术通过多步反应的方式，形成一种以纳米硫和硫化钴颗粒嵌入多孔碳骨架为核心，网状碳纳米管作为中间层，外层为PAN/SeS2纤维的核壳网状结构。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种锂硫电池正极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010](1)将钴源、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和碳纳米管水分散液混合搅拌，加入2
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甲基咪唑(2
‑
MIM)，反应得到碳纳米管
‑
金属有机骨架复合材料；
[0011](2)将硫化物和溶剂混合得到硫化物溶液，加入步骤(1)得到的碳纳米管
‑
金属有机骨架复合材料，反应得到硫化钴
‑
有机骨架与碳纳米管的复合材料；
[0012](3)将步骤(2)得到的硫化钴
‑
有机骨架与碳纳米管的复合材料、聚丙烯腈(PAN)和溶剂混合进行静电纺丝处理，将得到的产物与二硫化硒混合，经烧结处理后与氧化剂溶液混合得到所述锂硫电池正极材料。
[0013]本专利技术所述制备方法中，钴源的存在作为形成金属
‑
有机骨架(MOF)材料的形成位点，在与CNT溶液混合后，Co离子均匀分布在网状CNT中，使得后续形成的ZIF
‑
67(Co基MOF材料)纳米颗粒能够均匀分布在网状材料中形成结点，增强了复合材料的结构稳定性。同时，CTAB的加入使得Co粒子外面的有机骨架趋于定向生长，使本应作为正十二面体生长的ZIF
‑
67成为了正六面体形状，增强了ZIF
‑
67颗粒的机械性能，使之更不易破碎，加强了网络的稳定性。此外，CNT具有良好的导电性，使得该材料具有优秀的电子传输能力；而MOF材料特有的多孔结构及CNT数量庞大的网络通路，使得材料的锂离子传输能力也非常良好。
[0014]优选地，步骤(1)所述钴源包括硝酸钴。
[0015]优选地，所述钴源和所述十六烷基三甲基溴化铵的质量比为(48～96):(1～2)，例如：48:1、60:2、80:1.5、90:1.6或96:1等。
[0016]优选地，所述碳纳米管水分散液的质量浓度为8～15％，例如：8％、9％、10％、12％或15％等。
[0017]本专利技术所述钴源制备ZIF
‑
67前先与CNT水分散液均匀混合，使后续生长的ZIF
‑
67固定在CNT网络上形成结点，提高材料稳定性，制备ZIF
‑
67时加入CTAB使得材料生长方向发生改变，由正十二面体变为立方体，提高了ZIF
‑
67颗粒的机械性能，不易破碎。
[0018]优选地，所述钴源和所述碳纳米管水分散液中碳纳米管的质量比为(1.2～2.4):(1～2)，例如：1.2:1、1.5:1.3、1.8:1、2:1.6或2.4:1等。
[0019]优选地，所述混合搅拌的过程中加入去离子水。
[0020]优选地，步骤(1)所述2
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甲基咪唑和钴源的质量比为(11～22):(1.2～2.4)，例如：11:2.4、15:2、18:1.4、20:1.5或22:1.2等。
[0021]优选地，所述反应的过程中进行搅拌。
[0022]优选地，所述反应的时间为4～6h，例如：4h、4.5h、5h、5.5h或6h等。
[0023]优选地，对所述反应得到的物料进行离心处理。
[0024]优选地，所述离心处理的速度为6000～8000rpm，例如：6000rpm、6500rpm、7000rpm、7500rpm或8000rpm等。
[0025]优选地，所述离心处理的时间为10～20min，例如：10min、12min、15min、18min或20min等。
[0026]优选地，所述离心处理后进行干燥处理。
[0027]优选地，所述干燥处理的温度为60～80℃，例如：60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。
[0028]优选地，所述干燥处理的时间为12～24h，例如：12h、15h、18h、20h或24h等。
[0029]优选地，步骤(2)所述硫化物包括硫化钠。
[0030]本专利技术所述ZIF
‑
67与硫化钠水浴反应，在Co纳米粒子的位置形成了CoS，除了提供活性物质硫还可以抑制多硫化锂的脱离。
[0031]优选地，所述溶剂包括去离子水。
[0032]优选地，所述硫化物溶液的质量浓度为2～8％，例如：2％、3％、4％、5％或8％等。
[0033]优选地，所述碳纳米管
‑
金属有机骨架复合材料和硫化物的质量比为(5～10):(2～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将钴源、十六烷基三甲基溴化铵和碳纳米管水分散液混合搅拌，加入2
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甲基咪唑，反应得到碳纳米管
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金属有机骨架复合材料；(2)将硫化物和溶剂混合得到硫化物溶液，加入步骤(1)得到的碳纳米管
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金属有机骨架复合材料，反应得到硫化钴
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有机骨架与碳纳米管的复合材料；(3)将步骤(2)得到的硫化钴
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有机骨架与碳纳米管的复合材料、聚丙烯腈和溶剂混合进行静电纺丝处理，将得到的产物与二硫化硒混合，经烧结处理后与氧化剂溶液混合得到所述锂硫电池正极材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钴源包括硝酸钴；优选地，所述钴源和所述十六烷基三甲基溴化铵的质量比为(48～96):(1～2)；优选地，所述碳纳米管水分散液的质量浓度为8～15％；优选地，所述钴源和所述碳纳米管水分散液中碳纳米管的质量比为(1.2～2.4):(1～2)；优选地，所述混合搅拌的过程中加入去离子水。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述2
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甲基咪唑和钴源的质量比为(11～22):(1.2～2.4)；优选地，所述反应的过程中进行搅拌；优选地，所述反应的时间为4～6h；优选地，对所述反应得到的物料进行离心处理；优选地，所述离心处理的速度为6000～8000rpm；优选地，所述离心处理的时间为10～20min；优选地，所述离心处理后进行干燥处理；优选地，所述干燥处理的温度为60～80℃；优选地，所述干燥处理的时间为12～24h。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述硫化物包括硫化钠；优选地，所述溶剂包括去离子水；优选地，所述硫化物溶液的质量浓度为2～8％；优选地，所述碳纳米管
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金属有机骨架复合材料和硫化物的质量比为(5～10):(2～4)。5.如权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛凇桥，请求不公布姓名，请求不公布姓名，董海军，刘静，杨红新，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：