一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法技术

一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，属于新能源材料技术领域，包括：

【技术实现步骤摘要】
一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法


[0001]本专利技术属于新能源材料
，具体涉及一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法
。

技术介绍

[0002]电池是能量储存与转换的重要装置，随着科技的发展，人们对电池的能量密度提出了更高的要求
。
在开发高能量密度电池过程中科研人员进行了很多探索，锂硫电池由于具有理论能量密度高
(2600Wh/kg)、
硫元素资源丰富
、
无污染等特点，吸引了研究人员的广泛关注
。
然而，在锂硫电池商业化道路上还有一些问题需要解决，其中在硫正极材料方面导电性差
、
体积膨胀
(>80
％
)
以及穿梭效应等问题是限制锂硫电池发展的重要因素
。
[0003]鉴于上述问题，单质硫不能单独作为正极材料应用，多以功能材料作为载体，该材料通常被称为载硫材料
。
碳材料是最初作为载硫材料研究的一类重要材料，如多孔碳
、
石墨烯
、
碳纳米管
、
碳纤维等
。
这些碳材料通常导电性
、
机械性能良好，且具有丰富的孔隙，不仅可以提高硫正极的导电性，而且可以缓解硫正极的体积膨胀，利用物理吸附抑制可溶性多硫化锂的溶解
。
然而碳材料属于非极性材料，对极性可溶性多硫化锂的吸附作用有限，对穿梭效应抑制效果不理想，需要从化学吸附角度进一步增强r/>。
常用的方法有两种，一种是杂原子掺杂，使其本身具有极性，常用的掺杂原子有
N、P、B
等，但是掺杂含量通常较低，对多硫化锂的吸附效果不明显；另一种是与极性材料复合，常用的极性材料有金属氧化物
、
金属硫化物
、
金属氮化物
、
非金属氧化物等，这些材料具有合成简单，可以大量附着在碳材料表面，对多硫化物吸附作用强的优点
。
然而这种复合材料导电性不好，即使加入导电剂，导电性也很难均匀发挥，这会造成电池反应的不均匀性，从而影响库伦效率
。
另外，加入催化剂的存在方式及结构的问题，使得材料的反应动力学过程难以有效提高，同时这些催化剂的存在还会进一步降低导电性
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，该载硫材料在
1C
的电流密度下容量有
1200mAh/g
，保持率高达
80
％，能够提供良好抑制穿梭效应能力，同时能够具有催化多硫化锂转化的能力，还能够避免导电不均匀带来的循环过程中的库伦效率问题
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)
按质量比，氧化石墨烯：氧化碳纳米管＝
1:(1
～
5)
，将二者溶于去离子水中，混合均匀获得混合溶液
A
；
[0008](2)
向混合溶液
A
中加入淀粉，搅拌均匀，获得混合溶液
B
；淀粉质量占氧化石墨烯
+
氧化碳纳米管总质量的5％
‑
25
％；
[0009](3)
配置过渡金属可溶性盐溶液；
[0010](4)
将过渡金属可溶性盐溶液缓慢滴入到混合溶液
B
中，其溶液体积比为
1:1
，搅拌均匀，获得混合溶液
C
；
[0011](5)
向混合溶液
C
中加入聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠，搅拌均匀后进行水浴加热，获得凝胶产物；
[0012](6)
将凝胶产物干燥至凝胶完全脱水，获得脱水后凝胶；
[0013](7)
将脱水后凝胶在惰性气体保护的炉中加热，保温，获得固态产物，研磨得到高性能锂硫电池正极载硫材料
。
[0014]所述步骤
(1)
中，氧化石墨烯为多层氧化石墨烯，氧化碳纳米管为多壁氧化碳纳米管，均为市购
。
[0015]所述步骤
(2)
中，所述淀粉为小麦淀粉或者玉米淀粉
。
[0016]所述步骤
(3)
中，所述过渡金属可溶性盐为金属
Ni、Co、Mn、Fe、Cu
的硝酸盐和氯化盐中的一种或者几种的混合物；溶液质量浓度为
0.1
％
‑1％
。
[0017]所述步骤
(5)
中，聚丙烯酰胺摩尔质量为
100
‑
1000
万
g/mol。
所述的聚丙烯酰胺加入质量占混合溶液
C
质量的
0.2
％
‑5％；羧甲基纤维素钠加入质量占混合溶液
C
质量的
0.1
％
‑1％
。
[0018]聚丙烯酰胺的作用机理一般认为是吸附
‑
电中和
‑
架桥
。
在絮凝过程中，高分子浓度较低时，吸附在颗粒表面上的高分子长链可能同时吸附在另一个颗粒表面上，通过架桥方式将两个或更多的微粒联系在一起，从而导致絮凝，即发生高分子絮凝作用的架桥机理
。
架桥的必要条件是颗粒上存在空白表面，如果溶液中的高分子浓度很大，颗粒表面已完全被所吸附的高分子所覆盖，则颗粒不会再通过架桥而絮凝，此时高分子起的是保护作用
。
因此，聚丙烯酰胺作为高分子絮凝剂，其加入量存在最佳范围，超过最佳范围，絮凝效果反而会变差
。
羧甲基纤维素钠起到交联作用，纤维素分子链上的羧酸根同交联剂中的金属离子形成化学交联点，从而产生线性结构到网状结构的转变
。
[0019]所述步骤
(5)
中，水浴加热温度为
65
‑
80℃
，保温时间为
24
‑
72h。
保温时液体密封保存，防止水分的挥发
。
[0020]所述步骤
(6)
中，干燥过程在鼓风干燥箱中进行，干燥温度为
80
‑
100℃
，干燥时间为4‑
10h。
[0021]所述步骤
(7)
中，所述惰性气体为氮气
、
氩气
、
氦气中的一种或者几种的混合气体
。
所述加热温度为
600
‑
1000℃
，保温时间为2‑
6h。
所述研磨介质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)
按质量比，氧化石墨烯：氧化碳纳米管＝
1:(1
～
5)
，将二者溶于去离子水中，混合均匀获得混合溶液
A
；
(2)
向混合溶液
A
中加入淀粉，搅拌均匀，获得混合溶液
B
；淀粉质量占氧化石墨烯
+
氧化碳纳米管总质量的5％
‑
25
％；
(3)
配置过渡金属可溶性盐溶液；
(4)
将过渡金属可溶性盐溶液缓慢滴入到混合溶液
B
中，搅拌均匀，获得混合溶液
C
；
(5)
向混合溶液
C
中加入聚丙烯酰胺和羧甲基纤维素钠，搅拌均匀后进行水浴加热，获得凝胶产物；
(6)
将凝胶产物干燥至凝胶完全脱水，获得脱水后凝胶；
(7)
将脱水后凝胶在惰性气体保护的炉中加热，保温，获得固态产物，研磨得到高性能锂硫电池正极载硫材料
。2.
根据权利要求1所述的一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，其特征在于，所述步骤
(1)
中，氧化石墨烯为多层氧化石墨烯，氧化碳纳米管为多壁氧化碳纳米管
。3.
根据权利要求1所述的一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，其特征在于，所述步骤
(2)
中，所述淀粉为小麦淀粉或者玉米淀粉
。4.
根据权利要求1所述的一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，其特征在于，所述步骤
(3)
中，所述过渡金属可溶性盐为金属
Ni、Co、Mn、Fe、Cu
的硝酸盐和氯化盐中的一种或者几种的混合物；溶液质量浓度为
0.1
％
‑1％
。5.
根据权利要求1所述的一种高性能锂硫电池正极载硫材料的制备方法，其特征在于，所述步骤
(5)
中，所述的聚丙烯酰胺加入质量占混合溶液
C

【专利技术属性】
技术研发人员：陈跃辉，董伟，刘凤霞，沈丁，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：