一种镍掺杂二氧化钛载硫复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于电化学技术领域，具体涉及一种具有三维有序结构的镍掺杂二氧化钛载硫复合材料，并进一步公开其制备方法以及用于制备锂硫电池正极材料的用途。本发明专利技术所述三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫(3DOM

【技术实现步骤摘要】
一种镍掺杂二氧化钛载硫复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种具有三维有序结构的镍掺杂二氧化钛载硫复合材料，并进一步公开其制备方法以及用于制备锂硫电池正极材料的用途。

技术介绍

[0002]随着便携式电子设备笔记本电脑、手机、电动汽车等的使用呈指数级增长，对电池的能量密度和循环寿命也提出的更高的要求。尽管锂离子电池技术一直处于满足这种需求的最前沿，但锂离子电池较低的能量密度却限制了其在高能量密度市场的发展。在过去几十年中，锂硫电池被认为是最可行的储能技术之一，可以满足当前和未来的能源需求。锂硫电池具有理论容量高(1675mAh g
‑1)、高能量密度(约为2567Wh kg
‑1)的优势，其理论容量可以达到传统锂离子电池正极的10倍，同时所采用的硫储量丰富，具有成本低、环保无毒、环境友好、工作温度范围宽等独特优势。因此，锂硫电池是一种极具潜力的储能器件。
[0003]虽然锂硫电池具备诸多优势，然而锂硫电池却存在单质硫导电性差，且电化学反应过程的中间产物多硫化锂溶于电解液导致活性物质的损失，导致降低电池容量；并且放电过程的最终产物固相硫化锂也是电子绝缘体等问题，严重限制了锂硫电池的发展。现有技术已开发出基于碳材料载硫复合材料来提到单质硫的导电性，然而对多硫化锂弱的吸附作用使得锂硫电池在电化学测试中，其对电池循环性能的改善并不理想。

技术实现思路

[0004]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫复合材料，有序的三维结构能有效提升载硫量，3DOM结构可以通过其相互连接的结构允许电子导电性，降低电极界面电阻；
[0005]本专利技术所要解决的第二个技术问题在于提供上述三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法；
[0006]本专利技术所要解决的第三个技术问题在于提供上述三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫复合材料用于制备硫锂电池正极材料及硫锂电池的用途。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术所述的一种镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008](1)取表面活性剂加入除氧水配制形成溶液，并在隔绝氧环境下进行加热；趁热加入苯乙烯及过硫酸钾溶液进行聚合反应，得到PS溶液；
[0009](2)将所述PS溶液进行定向低速离心，分离并收集下层块状固体，经干燥、研磨得到PS粗颗粒；
[0010](3)分别取钛源材料、酸液及镍盐加入溶剂混匀，并加入所述PS粗颗粒混匀，得到PS模板，备用；
[0011](4)在保护气氛下，将所述PS模板进行烧结处理，得到三维有序结构的镍掺杂二氧化钛复合材料3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
。
[0012](5)将所述3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
与单质硫混合，在保护气氛下进行煅烧处理，即得所需三维有序结构的镍掺杂二氧化钛载硫复合材料3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
/S。
[0013]具体的，所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，所述步骤(1)中，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)；和/或，
[0014]所述加热步骤的加热温度为60
‑
90℃；和/或，
[0015]所述聚合反应的时间为12
‑
48小时；
[0016]优选的，所述表面活性剂、苯乙烯和过硫酸钾的质量比为(1
‑
11)：20：(4
‑
14)；
[0017]优选的，所述步骤(1)中，还包括将所述苯乙烯先后经氢氧化钠溶液和去离子水进行洗涤以去除稳定剂的步骤；
[0018]优选的，所述步骤(1)中，还包括将去离子水煮沸或通入氮气去除水中的氧气以获得除氧水的步骤。
[0019]具体的，所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，所述步骤(2)中，所述定向低速离心步骤的转速为200
‑
1200r/min；
[0020]优选的，所述PS粗颗粒的粒径为100
‑
300nm。
[0021]具体的，所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，所述步骤(3)中：
[0022]所述钛源材料包括钛酸四丁酯、硫酸钛或硝酸钛中的至少一种；和/或，
[0023]所述镍盐包括硝酸镍、氯化镍或醋酸镍中的至少一种；和/或，
[0024]优选的，所述镍盐的掺杂质量比控制在0.01
‑
1wt％；
[0025]所述溶剂包括乙醇、甲醇或水中的至少一种；
[0026]优选的，所述钛源材料、溶剂及盐酸的体积比为1
‑
3：2：1；
[0027]优选的，所述盐酸的浓度为0.1
‑
1mol/L；
[0028]优选的，所述PS粗颗粒质量与所述溶液体积的质量体积比为1：5
‑
8g/ml。
[0029]具体的，所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，所述步骤(4)中，所述烧结步骤的温度为200
‑
900℃；
[0030]优选的，所述烧结步骤控制升温速率为2
‑
10℃/min；
[0031]优选的，所述保护气氛的流量为1
‑
10L/min。
[0032]具体的，所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，所述步骤(5)中，所述煅烧步骤的温度为100
‑
200℃；
[0033]优选的，所述3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
与单质硫的质量比为1：1
‑
9。
[0034]本专利技术还公开了由所述方法制备得到的三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫复合材料。
[0035]具体的，所述的镍掺杂二氧化钛载硫复合材料，SEM图测试中，四周呈现大孔状分布，孔径约100
‑
200nm。
[0036]本专利技术还公开了所述三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫复合材料用于制备锂硫电池正极材料的用途。
[0037]本专利技术还公开了由所述三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫复合材料制备得到的锂硫电池正极材料、锂硫电池正极极片或锂硫电池。
[0038]本专利技术所述三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫(3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
)复合材料，其有序的三维结构能有效提升载硫量，3DOM结构可以通过其相互连接的结构允许电子导电性，
降低电极界面电阻。
[0039]本专利技术所述三维有序结构镍掺杂二氧化钛载硫(3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
)复合材料的合成方法，采用聚苯乙烯球模板法进行空间结构的构造，稳定的三维有序结构其丰富的大孔能有效提高载硫量，并且镍具有催化活性能有效催化转化长链多硫化锂向短链多硫化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)取表面活性剂加入除氧水配制形成溶液，并在隔绝氧环境下进行加热；趁热加入苯乙烯及过硫酸钾溶液进行聚合反应，得到PS溶液；(2)将所述PS溶液进行定向低速离心，分离并收集下层块状固体，经干燥、研磨得到PS粗颗粒；(3)分别取钛源材料、酸液及镍盐加入溶剂混匀，并加入所述PS粗颗粒混匀，得到PS模板，备用；(4)在保护气氛下，将所述PS模板进行烧结处理，得到三维有序结构的镍掺杂二氧化钛复合材料3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
；(5)将所述3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
与单质硫混合，在保护气氛下进行煅烧处理，即得所需三维有序结构的镍掺杂二氧化钛载硫复合材料3DOM
‑
Ni@TiO2‑
x
/S。2.根据权利要求1所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮(PVP)；和/或，所述加热步骤的加热温度为60
‑
90℃；和/或，所述聚合反应的时间为12
‑
48小时；优选的，所述表面活性剂、苯乙烯和过硫酸钾的质量比为(1
‑
11)：20：(4
‑
14)；优选的，所述步骤(1)中，还包括将所述苯乙烯先后经氢氧化钠溶液和去离子水进行洗涤以去除稳定剂的步骤；优选的，所述步骤(1)中，还包括将去离子水煮沸或通入氮气去除水中的氧气以获得除氧水的步骤。3.根据权利要求1或2所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述定向低速离心步骤的转速为200
‑
1200r/min；优选的，所述PS粗颗粒的粒径为100
‑
300nm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述镍掺杂二氧化钛载硫复合材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猷，胡彬，杨允杰，
申请(专利权)人：华鼎国联四川电池材料有限公司，
类型：发明
国别省市：