CN101567437A - 一种有序介孔炭-硫纳米复合正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种有序介孔炭-硫纳米复合正极材料及其制备方法,涉及一种纳米复合材料,尤其是涉及一种适合用于锂-硫二次电池的有序介孔炭-硫复合正极及其制备方法。提供一种具有良好电化学活性的有序介孔炭-硫纳米复合正极材料及其制备方法。其组份及其按质量百分比含量为有序介孔炭和升华硫,其中,硫在有序介孔炭-硫纳米复合正极材料中的含量为20%~80%。合成有序介孔炭;将所制备的有序介孔炭和升华硫按计量比混合,放入密闭容器,加热使硫熔融复合,得有序介孔炭-硫纳米复合正极材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米复合材料,尤其是涉及一种适合用于锂-硫二次电池的有序介孔炭-硫复合正极及其制备方法。
背景技术
可充锂电池现已广泛应用于手机、相机和PC等便携式电子设备,具有重要的商业价值,更是有望成为近年来兴起的电动车和混合动力车的储能装置。目前商品化锂离子电池的正极材料以氧化物正极材料如LiCoO2、LiMn2O4和LiFePO4等为主。这些传统正极材料理论比容量均比较低,远不能满足高比能量电池的要求。硫单质作为锂离子电池正极材料,具有极高的理论比容量(1672mAh·g-1)和理论能量密度(2600Wh·kg-1),同时硫单质具有价格低廉、环境友好、储量丰富等优点,是十分理想的锂离子二次电池正极替代材料。然而,硫单质为电子和离子绝缘体,不能用100%单质硫电极进行充放电,必须和电子或离子导电剂均匀混合后才能使用。同时硫电极放电产物多硫化锂(Li2Sn,1≤n≤8)也不导电,且容易溶解扩散流失到电解液中,导致正极材料活性物质利用率低,循环性能差。为了提高硫单质利用率及抑制其溶解流失,不少研究工作分别报道了采用活性炭(1、Wang,J.L.,J.Yang,et al.(2002).″Sulfur-carbon nano-composite as cathode for rechargeable lithium battery based on gelelectrolyte.″Electrochemistry Communications 4(6):499-502;2、Zhang,Y.,W.Zheng,et al.(2007).″Novel nanosized adsorbing composite cathode materials for the next generational lithium battery.″Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition 22(2):234-239)、碳纳米管(3、Zheng,W.,X.G.Hu,et al.(2006).″Preparation and electrochemical properties of novelcomposite cathode materials for the advanced lithium rechargeable batteries.″Rare Metal Materialsand Engineering 35(8):1223-1227;4、Han,S.C.,M.S.Song,et al.(2003).″Effect of multiwalledcarbon nanotubes on electrochemical properties of lithium sulfur rechargeable batteries.″Journal ofthe Electrochemical Society 150(7):A889-A893)、介孔炭(5、Wang,J.,S.Y.Chew,et al.(2008).″Sulfur-mesoporous carbon composites in conjunction with a novel ionic liquid electrolyte forlithium rechargeable batteries.″Carbon 46(2):229-235)、碳纤维(6、Choi,Y.J.,K.W.Kim,et al.(2008).″Improvement of cycle property of sulfur electrode for lithium·sulfur battery.″Journal ofAlloys and Compounds 449(1-2):313-316)等碳材料作为导电基底,采用球磨分散或热复合的方法,制备炭-硫复合物,虽然硫的利用率和循环性能均能得到较大改善,但是大电流放电性能和循环性能还远不能达到应用的要求。
Liu,R.L.等(Liu,R.L.,Shi,Y.F.,et al.(2006).″Triconstituent Co-assembly to OrderedMesostructured Polymer-Silica and Carbon-Silica Nanocomposites and Large-Pore MesoporousCarbons with High Surface Areas.″Journal of American Chemical Society 128(35):11652-11662)报道了有关合成有序介孔炭的方法。
发明内容
本发明的目的是针对锂离子电池硫单质正极材料导电率低、循环性能差的缺点,提供一种具有良好电化学活性的有序介孔炭-硫纳米复合正极材料及其制备方法。
本发明所述有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的组份及其按质量百分比含量为:
有序介孔炭和升华硫,其中,硫在有序介孔炭-硫纳米复合正极材料中的含量为20%~80%。
本发明所述有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的制备方法其步骤如下:
1)合成有序介孔炭;
2)将所制备的有序介孔炭和升华硫按计量比混合,放入密闭容器,加热使硫熔融复合,得有序介孔炭-硫纳米复合正极材料。
在步骤1)中,所述合成有序介孔炭可采用文献方法(Liu,R.L.,Shi,Y.F.,et al.(2006).″Triconstituent Co-assembly to Ordered Mesostructured Polymer-Silica and Carbon-SilicaNanocomposites and Large-Pore Mesoporous Carbons with High Surface Areas.″Journal ofAmerican Chemical Society 128(35):11652-11662),根据原料中表面活性剂F127(EO106PO70EO106)、酚醛树脂预聚体和正硅酸乙酯投料比不同,可得到不同介孔孔径大小、不同孔体积和比表面积的p6m对称性的有序介孔炭;所述有序介孔炭介孔孔径为5.0~8.0nm,孔容为1.0~2.5cm3·g-1,比表面积为1000~2400m2·g-1,同时介孔炭骨架上具有的0~4nm大小的孔洞结构,呈现双孔特征。
在步骤2)中,所述加热的温度最好为120~159℃;所述加热的时间最好为5~24h。
所述有序介孔炭-硫纳米复合正极材料适用于可充锂电池的正极。所述有序介孔炭-硫纳米复合正极材料可用六氟磷酸锂、高氯酸锂、六氟砷酸锂、三氟甲基璜酸锂和二-三氟磺酸亚胺锂(LiPF6、LiClO4、LiAsF6、CF3SO3Li和LiN(CF3SO2)2)为电解质盐,1,3-二氧戊环(DOL)、乙二醇二甲醚(DME)、二甘醇二甲醚(DGM),以及不同比例混合溶液为电解液的可充锂电池。
本发明所述有序介孔炭-硫纳米复合电极可采用涂浆法制备,其具体步骤是按质量比复合材料∶乙炔黑∶粘结剂=80∶10∶10,将复合材料、乙炔黑和粘结剂球磨3h或强力搅拌5~12h,均匀涂在处理过的铝箔上,于55~60℃真空烘干12h,在20MPa下压制成型。
与现有技术相比,本发明具有以下突出优点:
1)本发明采用的有序介孔炭具有双孔(5~8nm介孔,0~4nm骨架微介孔)结构,同时具有很高的比表面积(1000~2400m2·g-1)和孔体积(1~2.5cm3·g-1)。大的孔体积可以提高硫复合的量,大的比表面积可以使硫和炭具有很高的接触面积,提高电子传输速率和反应面积;纳米尺度的孔道则有效抑制了多硫化锂的溶解扩散流失。当热复合时,由于毛细作用,熔融硫优先吸附到炭骨架微介孔中,随着负载量增大,微介孔及介孔孔道相继被填充,得到纳米尺度分散均匀的复合物。因此通过控制硫单质复合的量,可以选择性地填充骨架微介孔,作为纳米反应中心和电子传输界面,保留部分介孔孔道作为电解液扩散和离子传输的通道。
2)相比已经报道的热复合方法(见上述参考文献1~6),本发明不需要现有热复合方法中所采用的高温(约300℃)升华的过程,只需要120~159℃的处理温度,远低于硫单质的燃点,故不需要惰性气体保护,节约了成本,降低了设备的复杂性,同时可以准确控制得到不同炭-硫质量比的复合物。
3)本发明所制备的有序介孔炭-硫纳米复合正极材料具有较高的硫利用率、良好的循环保持率和大电流倍率性能。以含硫50%材料为例,当电解液为1molL-1LiN(CF3SO2)2的DOL+DME(V∶V,1∶1)溶液时,在约250mA·g-1-sulfur(表示按活性物质硫计算)电流密度下充放电,首次放电容量达到1364mAh·g-1-sulfur,200周循环后还能保持约570mAh·g-1-sulfur。当充放电速率为约13A·g-1-sulfur时,70周放电容量仍可以保持在约280mAh·g-1-sulfur。
4)由于本发明的工艺简单,操作容易,原料价格低廉,因此所制备的有序介孔炭-硫纳米复合正极材料具有较高的性价比和较好的市场潜力。
附图说明
图1为实施例1所制备的有序介孔炭及不同硫含量有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的氮气等温吸附/脱附曲线。在图1中,a、实施例1所得有序介孔炭;b、含硫量为20wt.%(实施例2);c、含硫量为35wt.%(实施例3);d、含硫量为50wt.%(实施例4);e、含硫量为60wt.%(实施例5);f、含硫量为70wt.%(实施例6);横坐标为相对压力Relative Pressuer(p/p0),纵坐标为氮气吸附量Vol Adsorbed(mmol/g)。
图2为实施例1所制备的有序介孔炭及不同硫含量有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的孔体积随孔径变化分布图。在图2中,a、实施例1所得有序介孔炭;b、含硫量为20wt.%(实施例2);c、含硫量为35wt.%(实施例3);d、含硫量为50wt.%(实施例4);e、含硫量为60wt.%(实施例5);在图2中,横坐标为孔径Pore diameter(nm),纵坐标为孔体积变化率dV/dD(cm3/g nm)。
图3为含硫量50wt.%有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的透射电镜(TEM)图。在图3中,标尺为50nm,左上角放大图的标尺为10nm。
图4为含硫量50wt.%有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的充放电曲线。在图4中,横坐标为比容量Specific Capacity(mAh/g-Sulfur),纵坐标为电位Potential/V(vs.Li+/Li)。
图5为含硫量50wt.%有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的循环性能曲线。在图5中,横坐标为循环圈数Cycle number,纵坐标为比容量Specific Capacity(mAh/g-Sulfur);充放电倍率为250mA/g-Sulfur。
图6为含硫量50wt.%有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的倍率性能曲线。在图6中,横坐标为循环圈数Cycle number,纵坐标为比容量Specific Capacity(mAh/g-Sulfur);充放电倍率为:a.300mA/g-Sulfur,b.800mA/g-Sulfur,c.1600mA/g-Sulfur,d.3200mA/g-Sulfur,e.4800mA/g-Sulfur,f.6400mA/g-Sulfur,g.12800mA/g-Sulfur。
具体实施方式
下面实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
将10.0g苯酚在长颈瓶中40~42℃水浴熔融,搅拌下加入2.13g 20wt%NaOH水溶液,继续搅拌10min后于50℃以下滴加17.7g福尔马林(37wt%甲醛)70~75℃下进一步搅拌1h。冷却至室温,盐酸调节pH约为7.0。50℃下真空干燥除水。产物溶解在乙醇中制成20wt.%溶液,得到酚醛树脂预聚体备用。
40℃下,将8g F127(EO106PO70EO106)和5.0g 0.2M的盐酸溶液溶解于40g无水乙醇中,搅拌得澄清溶液,加入.25.0g质量百分数浓度为20wt.%酚醛树脂预聚体和10.4g正硅酸乙酯(TEOS),搅拌5h,使TEOS初步水解和缩聚。将溶液转移到表面皿中,室温下静止挥发5~10h后置于100℃烘箱内加热24h进一步缩聚,得到14.5g F127/高分子/二氧化硅复合材料。将所得到的高分子复合物材料在氮气气氛下,900℃焙烧2~3h,得到5.5g介孔炭/二氧化硅复合材料。将5.5g介孔炭/二氧化硅复合材料置于10%~15%氢氟酸溶液中,搅拌24h,抽滤,干燥,得到2.4g有序介孔炭。介孔孔径为5.7nm,孔容为1.34cm3·g-1,比表面积为1093m2·g-1。
实施例2
将0.40g实施例1所制备的有序介孔炭和0.10g升华硫研磨混合后,放入密闭容器,150℃加热处理12h,得到0.50g含硫量20wt.%的有序介孔炭-硫纳米复合材料。
实施例3
将0.325g实施例1所制备的有序介孔炭和0.175g升华硫研磨混合后,放入密闭容器,150℃加热处理12h,得到0.50g含硫量35wt.%的有序介孔炭-硫纳米复合材料。
实施例4
将0.25g实施例1所制备的有序介孔炭和0.25g升华硫研磨混合后,放入密闭容器,150℃加热处理12h,得到0.50g含硫量50wt.%的有序介孔炭-硫纳米复合材料。
实施例5
将0.20g实施例1所制备的有序介孔炭和0.3g升华硫研磨混合后,放入密闭容器,150℃加热处理12h,得到0.50g含硫量60wt.%的有序介孔炭-硫纳米复合材料。
实施例6
将0.15g实施例1所制备的有序介孔炭和0.35g升华硫研磨混合后,放入密闭容器,150℃加热处理12h,得到0.50g含硫量70wt.%的有序介孔炭-硫纳米复合材料。
实施例7
将0.10g实施例1所制备的有序介孔炭和0.4g升华硫研磨混合后,放入密闭容器,150℃加热处理12h,得到0.50g含硫量80wt.%的有序介孔炭-硫纳米复合材料。
实施例8
将实施例1~7所制备的有序介孔炭及不同含硫量有序介孔炭-硫纳米复合材料,在Micromeritics Tristar 3000型吸附仪上于77K温度条件下获得氮气吸附/脱附等温线。测试前,样品在真空条件下于预先脱气不小于6h(介孔炭脱气温度180℃,复合材料脱气温度60℃)。样品的比表面积(SBET)采用BET方法,根据相对压力在0.04~0.2范围内吸附数据进行计算;孔容(Vt)和孔径(D)由等温线吸附分支采用BJH模型计算,其中孔容用相对压力P/P0=0.992处的吸附量计算。实验数据如图1和2所示。
实施例10
以实施例3~7所制备的复合材料,按复合材料∶乙炔黑∶粘结剂=80∶10∶10的比例制成电极作为正极,金属锂为负极,Cellgard 2400为隔膜,1mol·L-1 LiN(CF3SO2)2的DOL/DME(V∶V,1∶1)溶液为电解液,组装成CR2025扣式电池,在LAND电池测试系统(武汉金诺电子有限公司提供)上进行恒流充放电性能测试。电压区间为1.5~3V。测试环境为25℃恒温。部分测试结果如图3~6及表1所示。
表1不同硫含量复合物的放电比容量*
含硫质量分数 | 首次放电容量mAh/g-sulfur | 50th放电容量mAh/g-sulfur | 100th放电容量mAh/g-sulfur | 200th放电容量mAh/g-sulfur |
35wt.% | 1563 | 900 | 780 | 670 |
50wt.% | 1364 | 790 | 665 | 570 |
60wt.% | 1188 | 663 | 591 | 510 |
70wt.% | 1100 | 570 | 506 | 460 |
80wt.% | 754 | 520 | 430 | / |
*电流密度为0.1mA/cm2(由于不同电极片质量略有差异,折算成250±50mA/g-sulfur)。
Claims (4)
1.一种有序介孔炭-硫纳米复合正极材料,其特征在于其组份及其按质量百分比含量为有序介孔炭和升华硫,其中,硫在有序介孔炭-硫纳米复合正极材料中的含量为20%~80%。
2.如权利要求1所述的有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)合成有序介孔炭;
2)将所制备的有序介孔炭和升华硫按计量比混合,放入密闭容器,加热使硫熔融复合,得有序介孔炭-硫纳米复合正极材料。
3.如权利要求2所述的有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的制备方法,其特征在于在步骤1)中,所述有序介孔炭的介孔孔径为5.0~8.0nm,孔容为1.0~2.5cm3·g-1,比表面积为1000~2400m2·g-1,同时介孔炭骨架上具有的0~4nm大小的孔洞结构,呈现双孔特征。
4.如权利要求2所述的有序介孔炭-硫纳米复合正极材料的制备方法,其特征在于在步骤2)中,所述加热的温度为120~159℃;所述加热的时间为5~24h。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20091028 |