一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种锂硫电池正极材料及其制备方法和应用，首先将用KOH活化过的生物质芒草花作为碳前驱体，通过高温碳化制备多孔碳材料KMC，以六水硝酸镍和四水合钼酸铵作为金属源，硫脲作为硫源，控制反应温度，通过溶剂热法制备KMC/MoS2‑

【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
，具体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]锂硫电池具有1675mAh/g的高理论比容量和2600Wh/kg的能量密度，这使它优于其他众多电化学储能设备，并吸引了研究人员的注意。此外，硫作为活性物质，具有成本低、安全、环保等优点，能很好地满足可持续能源发展的需求。被誉为极具开发前景的下一代绿色电化学储能系统。然而，活性物质硫和反应固态产物(Li2S
n
,n＝1
‑
3)的导电性差、电池在反应时正极带来的体积收缩与膨胀和多硫化锂(LiPSs)带来的“穿梭效应”等问题，使电池的速率性能差，循环稳定性低和硫利用率低。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对锂硫电池面临的挑战，提供了一种KMC/MoS2‑
NiS2/S作为锂硫电池正极材料的制备方法。该方法采用溶剂热法，以六水硝酸镍(Ni(NO3)2·
6H2O)和四水合钼酸铵((NH4)6MoO
24
·
4H2O)作为金属源，以硫脲(CH4N2S)作为硫源，以乙二醇和去离子水的混合溶液作为溶剂，经严格控制溶剂热反应的温度和时间等条件，制备得到了自片状MoS2‑
NiS2纳米结构定向生长在多孔碳上得到KMC/MoS2‑
NiS2复合材料。然后用熔融法将升华硫负载到制备得到的KMC/MoS2‑
NiS2复合材料中，最后将制备得到的KMC/MoS2‑r/>NiS2/S复合材料与一定比例的导电剂和粘结剂混合，调浆，拉膜，干燥，打片，作为电池正极，锂片作为电池负极，再组装成锂硫电池。该方法具有合成生长条件严格可控、工艺简单、成本低廉等优点；所获得的KMC/MoS2‑
NiS2/S复合材料制备过程简单，用于锂硫电池正极材料，获得较高的循环稳定性。
[0004]本专利技术的技术方案是：
[0005]一种锂硫电池正极材料的制备方法，通过溶剂热法将MoS2‑
NiS2负载到多孔碳KMC上，再以熔融法负载硫，再与导电剂、粘结剂混合，调成浆料，涂覆到铝箔上，干燥、打片，制成电池正极。
[0006]具体包括以下步骤：
[0007]步骤(1).制备多孔碳：将KOH碱化的芒草花置于充满N2的管式炉中，以5℃/min升温至650℃，保温2小时，降至室温，取出，洗净干燥得到多孔碳；
[0008]步骤(2).制备化学溶液：配制乙二醇和去离子水的混合溶液；
[0009]步骤(3).称取步骤(1)制备的多孔碳粉末加入到步骤(2)配制的化学溶液中搅拌均匀，制备多孔碳混合溶液；
[0010]步骤(4).将硫脲加入到步骤(3)所得的多孔碳混合溶液中搅拌均匀，制备多孔碳
‑
硫脲混合溶液；
[0011]步骤(5).将四水合钼酸铵和六水硝酸镍加入到步骤(4)得到的多孔碳
‑
硫脲混合
溶液中搅拌均匀，通过溶剂热法制备KMC/MoS2‑
NiS2复合材料；
[0012]步骤(6).将步骤(5)得到的KMC/MoS2‑
NiS2复合材料与升华硫结合，得到KMC/MoS2‑
NiS2/S复合材料；
[0013]步骤(7).将KMC/MoS2‑
NiS2/S复合材料与导电剂和粘结剂混合、研磨，加入特定溶剂，调成浆料，得到锂硫电池正极浆料；
[0014]步骤(8).将步骤(7)的锂硫电池正极浆料均匀涂覆到铝箔上，干燥后得到锂硫电池正极。
[0015]优选的，步骤(1)中，KOH碱化的芒草花的制备方法为，生物质芒草花与KOH的碱化质量比为1:4混合，在室温下静置24h。
[0016]进一步的，各个步骤中物料的用量按照以下量的比例配比：
[0017]步骤(2)中，以乙二醇和去离子水体积比为2:1制备的化学溶液，配置的化学溶液体积为30mL。
[0018]步骤(3)中，加入的多孔碳质量为80mg；
[0019]步骤(4)中，加入的硫脲物质的量为15.76mmol；
[0020]步骤(5)中，所述的四水合钼酸铵和六水硝酸镍的物质的量分别为0.0405mmol和0.688mmol；
[0021]步骤(6)中，KMC/MoS2‑
NiS2和S的比例为3:7；
[0022]步骤(7)中，导电剂在锂硫电池正极浆料中的比例为10
‑
40wt％；粘结剂在锂硫电池正极浆料中的比例为10
‑
20wt％；
[0023]步骤(8)中，涂覆浆料的硫的负载量为1.2
‑
1.8mg/cm2。
[0024]步骤(3)中所制备的混合溶液需要在30℃下超声20min，搅拌1h；
[0025]步骤(5)中，溶剂热反应在对位苯酚反应釜内进行，反应温度为200℃，反应时间为24h；
[0026]步骤(6)中，加热温度为155℃，反应时间为16h；
[0027]步骤(7)中，所选的导电剂为导电炭黑(SuperPLi)、乙炔黑的一种或几种；所选的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)，聚丙烯酸、羧甲基纤维素钠中的一种或几种；溶剂为N
‑
甲基吡咯烷酮(NMP)；
[0028]所述步骤(8)中，干燥在真空干燥箱中进行，温度为55
‑
65℃，时间为8
‑
12h。
[0029]本方法制备所得的一种锂硫电池正极材料，用做锂硫电池正极材料。
[0030]采用所述的锂硫电池正极材料，裁剪成小圆片作为正极，锂片作为负极，隔膜，滴加电解液，组装成电池。
[0031]所述的电解液为含有质量2％LiNO3的1M双三氟甲基磺酰亚胺锂溶解在体积比为1:1的2
‑
二甲氧基乙烷和1，3
‑
二氧戊环混合溶液；电解液与活性硫的比例为20μL/mg；电池组装过程在水氧含量均小于0.1ppm的充满氩气的手套箱中进行。
[0032]过渡金属硫化物与多硫化物相互作用较强，在硫与多硫化物的电化学反应中表现出优异的催化活性并且显示出稳定电化学性能和提升的锂硫电池能量效率。多元金属硫化物相较于二元金属硫化物而言，具有更低的带隙能量，所以其导电性可以得到明显提高。同时，多元金属硫化物由于具有比二元金属硫化物更多的金属活性中心，可以提供更多的反应活性位点。同时，为了进一步增强材料整体的导电性，以及提高材料的比表面积以提高活
性位点数量，多孔碳材料由于其本身优良的特性，生物质碳材料通过酸碱活化可以形成三维导电骨架，促进离子/电子的高效传输的同时又能缓解体积膨胀带来的不利影响；而双金属硫化物可以通过吸附多硫化物，来减少其在电解液中的扩散穿梭。两者有效的结合将有望实现高性能的锂硫电池。
[0033]本专利技术首次提出利用MoS2‑
NiS2纳米片与多孔生物质碳材料复合，载硫后本文档来自技高网...

【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，通过溶剂热法将MoS2‑
NiS2负载到多孔碳KMC上，再以熔融法负载硫，再与导电剂、粘结剂混合，调成浆料，涂覆到铝箔上，干燥、打片，制成电池正极。2.根据权利要求1所述的一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤(1).制备多孔碳：将KOH碱化的芒草花置于充满N2的管式炉中，以5℃/min升温至650℃，保温2小时，降至室温，取出，洗净干燥得到多孔碳；步骤(2).制备化学溶液：配制乙二醇和去离子水的混合溶液；步骤(3).称取步骤(1)制备的多孔碳粉末加入到步骤(2)配制的化学溶液中搅拌均匀，制备多孔碳混合溶液；步骤(4).将硫脲加入到步骤(3)所得的多孔碳混合溶液中搅拌均匀，制备多孔碳
‑
硫脲混合溶液；步骤(5).将四水合钼酸铵和六水硝酸镍加入到步骤(4)得到的多孔碳
‑
硫脲混合溶液中搅拌均匀，通过溶剂热法制备KMC/MoS2‑
NiS2复合材料；步骤(6).将步骤(5)得到的KMC/MoS2‑
NiS2复合材料与升华硫结合，得到KMC/MoS2‑
NiS2/S复合材料；步骤(7).将KMC/MoS2‑
NiS2/S复合材料与导电剂和粘结剂混合、研磨，加入特定溶剂，调成浆料，得到锂硫电池正极浆料；步骤(8).将步骤(7)的锂硫电池正极浆料均匀涂覆到铝箔上，干燥后得到锂硫电池正极。3.根据权利要求2所述的一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，KOH碱化的芒草花的制备方法为，生物质芒草花与KOH的碱化质量比为1:4混合，在室温下静置24h。4.根据权利要求2所述的一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，各个步骤中物料的用量按照以下量的比例配比：步骤(2)中，以乙二醇和去离子水体积比为2:1制备的化学溶液，配置的化学溶液体积为30mL。步骤(3)中，加入的多孔碳质量为80mg；步骤(4)中，加入的硫脲物质的...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈娟，金波，曾婷，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：