CN105024054A - 一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法。该方法以高比表面积的分子筛为载体,沉积有机盐,经高温烧结、还原、硫沉积、聚合、剔除分子筛,获得聚合物/空心硫复合电极材料;其中,分子筛为SBA-15,MCM-41,KIT-1,MSU-1的一种;有机盐为可溶于酒精的有机铜盐、有机银盐、有机铁盐和有机镍盐的一种;聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔的一种;硫占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的70~90%,聚合物占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的3~10%,金属占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的7~20%。本发明制备的聚合物/空心硫复合电极材料用于锂硫电池正极时,具有很高的比容量和优异的循环性能,在电池领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种电极材料的制备方法,具体涉及一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法。
背景技术
锂硫电池具有比容量高、成本低等优点,是非常有发展潜力的储能电池。硫正极材料是制约锂硫电池推广的关键因素之一。商业电池用硫导电性差,循环性能差等缺点,限制了锂硫电池的推广应用。掺杂导电性好的材料如金属、碳或减少硫颗粒尺寸是改善硫正极的有效方法。专利(一种锂硫电池正极复合材料及其制备方法,2014014334247)将单质硫包覆导电高分子中,保证硫正极材料的导电性,又将硫及其产物束缚其中,从而获得较高的硫利用和循环稳定性。制备的硫正极材料在0.2-1C的电流密度下循环200-500次,容量保持率为83.2-92.7%,容量达到600-1200mAh/g。专利(一种锂硫电池的镍硫正极及其制备方法,201310563847.6)采用多孔网状结构的泡沫镍为载体,通过硫代硫酸钠和盐酸反应,沉积硫于镍表面,再热处理使硫均匀分布镍表面。制备的镍硫正极具有很好的循环稳定性,充放电40次后,容量保持率为91.6%。
不可否认,网状结构的导电高分子或金属表面沉积硫,有效限制硫单质的颗粒大小,并提高了单质硫的导电率。但与金属相比,导电高分子的导电性依然较差,而与导电高分子相比,网络状的金属颗粒柔性较差;单一使用导电高分子或金属改善硫正极性能的效果有限;硫正极的循环性能和容量依然无法满足实际需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法,克服现有制备技术的缺陷,提高硫电极材料的循环寿命。为实现上述发明目的,本发明的技术方案是:
一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法;包括:
1)称量一定质量的分子筛和有机盐混合于有机溶剂,搅拌均匀:
2)将步骤2的产物搅拌、加热蒸发、烘干、高温烧结、还原,获得分子筛/金属复合材料;
3)将分子筛/金属复合材料和单质硫按一定比例混合、压片、放置密闭容器、加热到100~500℃,缓慢冷凝,获得硫/分子筛/金属复合材料;
4)称量一定质量的硫/分子筛/金属复合材料混合酒精水溶液,加入一定量的聚合前驱体,匀速搅拌2~5h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得聚合物/硫/分子筛/金属复合材料;
5)加入强碱溶液,除去分子筛,过滤、烘干,获得聚合物/空心硫复合电极材料。
所述的步骤1中的其有机溶剂为C1~C8的醇、醛、酮和醚的一种;
所述的步骤2中的高温烧结在空气中进行,烧结温度控制在300~1000℃;还原在氩气和氢气的混合气中进行,还原温度控制在200~500℃;
所述的分子筛为SBA-15,MGM-41,KIT-1,MSU-1的一种;
所述的有机盐为可溶于酒精的有机铜盐、有机银盐、有机铁盐和有机镍盐的一种;
所述的聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔的一种;
所述的硫占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的70~90%,聚合物占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的3~10%,金属占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的7~20%。
本发明提供的硫/碳/氧化物复合电极材料的制备方法,与其它硫正极材料制备方法相比,具有如下优点:
1)本发明工艺简单、操作方便,有利于工业化生产。
2)硫电极材料内层为金属,外层包覆聚合物;该结构不但有利于电子传导,而且阻止硫单质颗粒在充放电循环过程中脱落。
3)聚合物/空心硫复合电极材料中,硫占硫/碳/氧化物复合电极材料总质量的70~90%,聚合物占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的3~10%,金属占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的7~20%。所制备的核壳结构的硫电极材料,具有高比容量和长循环寿命;0.1C循环100次后,容量大于700mAh/g。
附图说明:
图1为本发明聚合物/空心硫复合电极材料的示意图。
1-聚合物;2-硫层;3-金属层。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
请参阅附图1
实施例1
一种聚合物/空心硫复合电极材料的成分设计为:
铜,15wt%;硫单质,质量分数80%;聚苯胺,质量分数5wt%;
一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法:包括以下步骤:
1)称量一定的MCM-41和醋酸铜混合于酒精,搅拌均匀:
2)将步骤1的产物搅拌、加热蒸发、烘干、500℃空气气氛中高温烧结5h、然后在400℃氩气和氢气混合气氛中还原2h,获得MCM-41/铜复合材料;
3)将MCM-41/铜复合材料和单质硫按一定比例混合、压片、放置密闭容器、加热到400℃,缓慢冷凝,获得硫/MCM-41/铜复合材料;
4)称量一定质量的硫/MCM-41/铜复合材料混合酒精水溶液,加入一定质量的聚苯胺前驱体,匀速搅拌5h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得聚苯胺/硫/分子筛/铜复合材料;
5)加入强碱溶液,除去MCM-41,过滤、烘干,获得聚苯胺/空心硫复合电极材料。
图1为聚合物/空心硫复合电极材料的示意图。硫电极的制备及性能测试;将硫电极材料、乙炔黑和PVDF按质量比80∶10∶5在NMP中混合,涂覆在铝箔上为电极膜,金属锂片为对电极,CELGARD 2400为隔膜,1mol/L的LiPF6/EC+DMCWEI为电解液,在充满Ar手套箱内组装成扣式电池,采用Land电池测试系统进行恒流充放电测试。充放电电压范围为3.0~1V,电流密度为170mA/g.复合材料100次循环后放电比容量依然保持716mAh/g。
实施例2
一种聚合物/空心硫复合电极材料的成分设计为:
银,15wt%;硫单质,质量分数77%;聚吡咯,质量分数8wt%;
一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法:包括以下步骤:
1)称量一定质量的KIT-1和醋酸银混合于丙酮,搅拌均匀:
2)将步骤1的产物搅拌、加热蒸发、烘干、700℃空气气氛中高温烧结1h、然后在300℃氩气和氢气气氛中还原4h,获得KIT-1/银复合材料;
3)将KIT-1/银复合材料和单质硫按一定比例混合、压片、放置密闭容器、加热到450℃,缓慢冷凝,获得硫/KIT-1/银复合材料;
4)称量一定质量的硫/KIT-1/银复合材料混合酒精水溶液,加入一定质量的聚吡咯前驱体,匀速搅拌4h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得聚吡咯/硫/KIT-1/银复合材料;
5)加入强碱溶液,除去KIT-1,过滤、烘干,获得聚吡咯/空心硫复合电极材料。
硫电极的制备及性能测试;将硫电极材料、乙炔黑和PVDF按质量比80∶10∶5在NMP中混合,涂覆在铝箔上为电极膜,金属锂片为对电极,CELGARD 2400为隔膜,1mol/L的LiPF6/EC+DMCWEI为电解液,在充满Ar手套箱内组装成扣式电池,采用Land电池测试系统进行恒流充放电测试。充放电电压范围为3.0~1V,电流密度为170mA/g.复合材料100次循环后放电比容量为732mAh/g。
实施例3
一种聚合物/空心硫复合电极材料的成分设计为:
镍,10wt%;硫单质,质量分数80%;聚乙炔,质量分数10wt%;
一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法:包括以下步骤:
1)称量一定质量的SBA-15和醋酸镍混合于乙醚,搅拌均匀:
2)将步骤1的产物搅拌、加热蒸发、烘干、600℃空气气氛中高温烧结2h、然后在500℃氩气和氢气气氛中还原1h,获得SBA-15/镍复合材料;
3)将SBA-15/镍复合材料和单质硫按一定比例混合、压片、放置密闭容器、加热到480℃,缓慢冷凝,获得硫/SBA-15/镍复合材料;
4)称量一定质量的硫/SBA-15/镍复合材料混合酒精水溶液,加入一定质量的聚乙炔前驱体,匀速搅拌3h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得聚乙炔/硫/SBA-15/镍复合材料;
5)加入强碱溶液,除去SBA-15,过滤、烘干,获得聚乙炔/空心硫复合电极材料。
硫电极的制备及性能测试;将硫电极材料、乙炔黑和PVDF按质量比80∶10∶5在NMP中混合,涂覆在铝箔上为电极膜,金属锂片为对电极,CELGARD 2400为隔膜,1mol/L的LiPF6/EC+DMCWEI为电解液,在充满Ar手套箱内组装成扣式电池,采用Land电池测试系统进行恒流充放电测试。充放电电压范围为3.0~1V,电流密度为170mA/g.复合材料100次循环后放电比容量为724mAh/g。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法,其特征在于:以高比表面积的分子筛为载体,沉积有机盐,经高温烧结、还原、硫沉积、聚合、剔除分子筛,获得聚合物/空心硫复合电极材料;分子筛为SBA-15,MCM-41,KIT-1,MSU-1的一种;有机盐为可溶于酒精的有机铜盐、有机银盐、有机铁盐和有机镍盐的一种;聚合物为聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚乙炔的一种;硫占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的70~90%,聚合物占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的3~10%,金属占聚合物/空心硫复合电极材料总质量的7~20%;聚合物/空心硫复合电极材料的制备方法包括如下步骤:
1)称量一定质量的分子筛和有机盐混合于有机溶剂,搅拌均匀:
其中,有机溶剂为C1~C8的醇、醛、酮和醚的一种;
2)将步骤1的产物搅拌、加热蒸发、烘干、高温烧结、还原,获得分子筛/金属复合材料;其中,高温烧结在空气中进行,烧结温度控制在300~1000℃;还原在氩气和氢气的混合气中进行,还原温度控制在200~500℃;
3)将分子筛/金属复合材料和单质硫按一定比例混合、压片、放置密闭容器、加热到100~500℃,缓慢冷凝,获得硫/分子筛/金属复合材料;
4)称量一定质量的硫/分子筛/金属复合材料混合酒精水溶液,加入一定量的聚合前驱体,匀速搅拌2~5h;然后加入引发剂,搅拌、静置、过滤、真空烘干,获得聚合物/硫/分子筛/金属复合材料;
5)加入强碱溶液,除去分子筛、过滤、烘干,获得聚合物/空心硫复合电极材料。
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