一种锂硫电池负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池负极材料及其制备方法和应用，属于锂硫电池负极材料的制备技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂硫电池负极材料的制备
，具体涉及一种锂硫电池负极材料及其制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]随着对便携式电子设备
、
电动汽车以及电网储能的需求不断增长，人们迫切需要开发出超越锂离子电池的新型储能系统
。
锂硫电池因其高理论比容量（
Li
：
3860mAh/g
，
S
：
1675mAh/g
）和低质量密度（
Li
：
0.534g/cm3，
S
：
2.07g/cm3）等优点成为下一代最有潜力的储能系统之一
。
然而，锂硫电池的实际应用仍然受到严重阻碍
。
首先，锂枝晶的生长可能穿透隔膜，导致内部短路
。
其次，剥离
/
电镀过程中体积会显著变化，导致电极极化和接触不稳定等严重问题
。
同时，锂负极的体积变化通常与固体电解质界面的持续形成和断裂有关，这可能导致锂枝晶不断消耗电解液，从而降低锂硫电池的循环寿命和库仑效率
。
[0003]为了突破这些瓶颈，人们采用多种策略来改善锂负极，包括制造人工固体电解质界面层
、
添加新的电解质添加剂
、
研发固态或聚合物电解质
、
以及设计多孔导电基底（如三维泡沫铜和泡沫镍）作为锂载体等方法
。/>特别是，多孔导电基底作为锂载体具有一定的优势
。
多孔导电基底可以在连续电镀
/
剥离过程中同时缓解锂枝晶生长并最大限度地减少体积变化
。
然而，这些金属基底的高质量密度大大降低了负极的能量密度和功率密度
。
因此，探索轻质
、
多孔
、
亲锂的宿主材料是非常可取的
。
公开号为
CN113130881A
的中国专利文件，公开了一种锂硫电池负极材料的制备方法
。
该制备方法所得的负极材料具有大的比表面积，可以提供更多的沉积位，诱导锂沉积的形成
。
然而，三维框架由于对
Li
+
的吸附能力较差，所以很难有效调节电极
/
电解质界面附近的
Li
+
浓度
。
鉴于此，选择合适的亲锂物种能够显著降低锂成核过电位，并促进锂的均匀沉积
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于，提供一种锂硫电池负极材料及其制备方法和应用，可以解决制备负极过程中添加导电剂
、
粘结剂和集流体导致成本升高
、
能量密度降低等问题并且促进锂的均匀沉积，有效抑制锂枝晶生长的问题
。
所提供的锂硫电池负极材料显著提高了锂硫电池的电化学的稳定性，表现出优异的比容量
、
库仑效率和循环稳定性
。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供的锂硫电池负极材料包括掺铝氧化锌纳米片包裹的负载单质钴的碳纳米纤维，其中所述掺铝氧化锌纳米片与碳纳米纤维的质量比为
0.30
～
0.44
：1，钴负载量为碳纳米纤维质量的
23.8
～
39.5%。
[0006]本专利技术提供的一种锂硫电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）在
N,N
‑
二甲基甲酰胺中依次加入碳源
、
钴源和造孔剂，制得静电纺丝溶液，所述的碳源为聚丙烯腈
、
聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种，钴源为乙酸钴
、
硝酸钴和草酸钴中的一种，造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯
、
聚苯乙烯中的至少一种
,
碳源
、
钴源和造孔剂的质量比为
0.8
～
2.5
：1：
0.2
～
0.8
；
（2）静电纺丝溶液经静电纺丝制得纤维膜；（3）将纤维膜置于保护气氛和
500
～
900℃
温度下煅烧，制得负载单质钴的碳纳米纤维；（4）将铝盐
、
锌盐
、
氟化铵与尿素混合溶于水或乙醇，得到前驱体溶液；其中，锌盐在前驱体溶液的摩尔浓度为
0.01
～
0.1mol/L
，铝盐与锌盐的摩尔比为1～5：
100
，氟化铵与锌盐的摩尔比为1～5：1，尿素与锌盐的摩尔比为1～
10
：1；（5）将负载单质钴的碳纳米纤维放入前驱体溶液中进行水热处理，取出处理后的碳纳米纤维，经水或乙醇洗涤并干燥，得到前体；（6）在保护气氛和温度
200
～
800℃
下，将前体进行煅烧，得到掺铝氧化锌纳米片包裹的负载单质钴碳纳米纤维材料，即为锂硫电池负极材料
。
[0007]优选地，步骤（2）中，静电纺丝的工艺参数为：负高压为
‑3～
‑
1kV
，正高压为
10
～
20kV
，静电纺丝溶液推速为
0.1
～
0.8ml/min
，收集器转速为
50
～
100r/min
，接收距离为
10
～
20cm。
[0008]优选地，步骤（3）中，保护气氛为氮气或氩气，升温速率为2～
4℃/min
，煅烧时间为6～
8h。
[0009]优选地，步骤（4）中，铝盐为氯化铝或硝酸铝；所述的锌盐为乙酸锌或硝酸锌；锌盐在前驱体溶液的摩尔浓度为
0.05
～
0.95mol/L
，铝盐与锌盐的摩尔比为1～3：
100
，氟化铵与锌盐的摩尔比为2～4：1，尿素与锌盐的摩尔比为3～6：
1。
[0010]优选地，步骤（5）中，水热处理温度为
120
～
200℃
，时间为6～
10h
；干燥温度为
60
～
80℃
，时间为4～
8h。
[0011]优选地，步骤（6）中，保护气氛为氮气或氩气，升温速率为2～
5℃/min
，煅烧时间为3～
6h。
[0012]本专利技术所述的锂硫电池负极材料的应用，将锂硫电池负极材料用于锂硫电池的负极
。
[0013]本专利技术的有益效果如下：1．本专利技术采用静电纺丝方法制备的碳纳米纤维具有以下优势：首先，碳纳米纤维为单质钴的分散提供了缓冲空间，防止其团聚，这有利于活性位点的充分暴露，进一步提高单质钴的利用率...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种锂硫电池负极材料，其特征在于，所述锂硫电池负极材料包括掺铝氧化锌纳米片包裹的负载单质钴的碳纳米纤维，其中所述掺铝氧化锌纳米片与碳纳米纤维的质量比为
0.30
～
0.44
：1，钴负载量为碳纳米纤维质量的
23.8
～
39.5%。2.
一种锂硫电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）在
N,N
‑
二甲基甲酰胺中依次加入碳源
、
钴源和造孔剂，制得静电纺丝溶液，所述的碳源为聚丙烯腈
、
聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种，钴源为乙酸钴
、
硝酸钴和草酸钴中的一种，造孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯
、
聚苯乙烯中的至少一种
,
碳源
、
钴源和造孔剂的质量比为
0.8
～
2.5
：1：
0.2
～
0.8
；（2）静电纺丝溶液经静电纺丝制得纤维膜；（3）将纤维膜置于保护气氛和
500
～
900℃
温度下煅烧，制得负载单质钴的碳纳米纤维；（4）将铝盐
、
锌盐
、
氟化铵与尿素混合溶于水或乙醇，得到前驱体溶液；其中，锌盐在前驱体溶液的摩尔浓度为
0.01
～
0.1mol/L
，铝盐与锌盐的摩尔比为1～5：
100
，氟化铵与锌盐的摩尔比为1～5：1，尿素与锌盐的摩尔比为1～
10
：1；（5）将负载单质钴的碳纳米纤维放入前驱体溶液中进行水热处理，取出处理后的碳纳米纤维，经水或乙醇洗涤并干燥，得到前体；（6）在保护气氛和温度
200
～
800℃
下，将前体进行煅烧，得到掺铝氧化锌纳米片包裹的负载单质钴碳纳米纤维材料，即为锂硫电...

【专利技术属性】
技术研发人员：文晨旭，马晓涛，刘海强，袁明龙，李文豪，解肖斌，耿德敏，朱荣振，刘建路，
申请(专利权)人：山东海化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：