CN106207135B - 一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法 - Google Patents

一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106207135B
CN106207135B CN201610812763.5A CN201610812763A CN106207135B CN 106207135 B CN106207135 B CN 106207135B CN 201610812763 A CN201610812763 A CN 201610812763A CN 106207135 B CN106207135 B CN 106207135B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mils
silkworm excrement
spc
porous charcoal
preparation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610812763.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106207135A (zh
Inventor
赵祯霞
周凯彬
武阳
赵钟兴
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Guangxi University
Original Assignee
Guangxi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Guangxi University filed Critical Guangxi University
Priority to CN201610812763.5A priority Critical patent/CN106207135B/zh
Publication of CN106207135A publication Critical patent/CN106207135A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106207135B publication Critical patent/CN106207135B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明公开一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法。先将MILs生长到蚕沙多孔炭得到高比表面蚕沙多孔炭SPC‑MILs；然后放入石英管中，再倒入硫粉进石英管中，不与SPC‑MILs直接接触；抽真空、密封后放入烘干箱，升温至120～160℃，然后恒温保持8～20h后取出自然冷却至室温，得到SPC‑MILs/S1复合材料；再将其置于硫代硫酸钠溶液中静置，再滴加盐酸溶液进行化学沉积二次载硫反应2～5h，离心过滤后，在烘干得到SPC‑MILs/S复合材料。本发明采用汽液扩散法对硫进行负载，有利于硫在强吸附位的SPC‑MILs孔道内，可显著提高硫在载体上吸附作用力和均匀分散度，提高电池正极的循环寿命。

Description

一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于材料化学和电化学技术领域，具体涉及多孔材料及其锂硫电池材料及其制备方法。
背景技术
化石能源的过度开发及大量消耗引发了日益严峻的全球能源危机和环境问题，严重威胁到了人类的生存环境和社会经济的持续发展。因此，加快对新能源特别是清洁可再生能源的开发和利用是人类社会在新世纪的共同面临的首要任务和严峻挑战。循环可用的二次电池是各种可再生能源(如太阳能、风能、潮汐能等)的优良储能装置，是未来清洁可再生能源不可缺少的重要组成，有重大的社会需求。
近年来，锂硫电池作为新一代高能量密度的锂二次电池备受关注。它的理论比能量可高达2600Wh/kg，比锂离子电池能量密度高出6-7倍，可支撑一辆小型汽车续航500-800km以上，因而备受关注，且被认为是未来最有前途的储能电池体系之一。
锂硫电池中硫正极材料的性能是决定锂硫电池品质高低的关键。然而，受限于硫及其放电产物硫化锂较差的导电性，以及在充放电过程中所形成的一系列多硫化锂中间产物易溶于有机电解液等缺点，锂硫电池仍存在硫正极利用率较低(特别是在大电流密度下充放电)和循环性能差等问题，成为阻碍锂硫电池实际应用的最大瓶颈。
如果能将硫以微小粒度形式均匀地分散于一种导电性良好的多孔材料之中，一方面可以有效提高硫的利用率；另一方面，利用导电性载体的表面吸附作用又可以有效抑制硫及其放电产物(多硫化锂)在正极极片上的流失。因此，将硫与碳材料复合可以制备出高容量且循环性能优异的锂硫电池正极复合材料。蚕沙是桑蚕产业的主要废弃物，在农村经常随意丢弃导致环境污染，从电镜结构观察可知其具有天然的三维褶皱结构且含碳量高，经高温碳化及活化可以获得高比表面多孔生物炭。
目前，人们多采用一步熔融扩散法将硫组分注入载硫材料中形成锂硫正极复合材料。该法存在以下几个问题：(1)硫在熔融状态下与多孔材料孔壁的浸润性不佳，往往难以深入孔道内部特别是微孔孔内，并堵塞孔道；(2)硫组分与多孔材料孔壁结合力较低，分散不均匀。这两方面在很大程度上影响了复合材料整体的倍率性能，同时容易导致复合材料中硫利用率不高，电池的放电容量降低；此外硫组分不易扩散进微孔孔道，降低了其与载硫材料的吸附作用力，致使反应生成的多硫化物更容易溶解到有机电解液中，加快锂硫电池的容量衰减速度。
发明内容
本发明针对现有多孔材料载硫不均匀和吸附力弱而导致复合材料循环性能差等问题，提供一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法，利用气相气液扩散法将硫组分以纳米粒度负载在蚕沙多孔孔道内，获得高分散和强吸附结合的炭-MILs硫复合材料。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明的蚕沙多孔炭/MILs复合材料的制备方法，包括如下步骤，
(1)蚕沙多孔炭的制备：将蚕沙与ZnCl2粉末混合，置于高温管式炉中，通保护气体吹扫后，加热到300～700℃进行反应得到蚕沙多孔炭；
(2)蚕沙多孔炭/MILs复合材料载体的制备：先将蚕沙多孔炭、金属硝酸盐和多元酸配体置于50mL水溶液中，在180-220℃下反应10-20h；抽滤并烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合材料，即为SPC-MILs；
(3)SPC-MILs上载硫：先将SPC-MILs放入石英管中，再倒入硫粉进石英管中，不与SPC-MILs直接接触；抽真空、密封后放入烘干箱，升温至120～160℃，然后恒温保持8～20h后取出自然冷却至室温，得到SPC-MILs/S1复合材料；
(4)二次载硫：将SPC-MILs/S1复合材料置于硫代硫酸钠溶液中静置，再滴加盐酸溶液进行化学沉积二次载硫反应2～5h，离心过滤后，在烘干得到蚕沙多孔炭复合硫正极材料，记为SPC-MILs/S复合材料。
作为方案的进一步优选，所述步骤(1)中高温碳化反应时间为0.5～5h，保护性气体可采用氮气，氩气等惰性气体；ZnCl2和蚕沙的质量比为(1～6):1。
作为方案的进一步优选，所述步骤(2)中反应温度范围为180-220℃；金属硝酸盐与蚕沙多孔炭的质量比为(0.5-4):1；金属硝酸盐与多元酸配体质量比为2～6:1。金属硝酸盐为硝酸铬、硝酸铁、硝酸铝任意一种；多元羧酸配体可以是对苯二酸或均苯三酸。
作为方案的进一步优选，所述步骤(3)中控制石英管内真空度≤100Pa。，烘干箱采用可程序控温烘干箱，具体控温过程：
(a)升温过程：以0.5～2.0℃/min的升温速率从室温升至120～160℃；
(b)恒温过程：置于120～160℃保持10～15h；
(c)降温过程：恒温过程结束后立即从干燥箱内取出，自然冷却至室温。
作为方案的进一步优选，所述步骤(4)中硫代硫酸钠溶液与SPC/S1复合材料的质量比为4～10：1，静置时间为5～10h。
作为方案的进一步优选，所述步骤(4)中盐酸与硫代硫酸钠的摩尔比为3～11：1，可采用硫代硫酸钠的浓度为0.03～0.20mol/L，盐酸浓度为3～10wt％。
本发明制备的蚕沙多孔炭复合硫正极材料(SPC-MILs/S)，在充放电循环130圈后，放电比容量在950-1080mAh/g，其容量保持率在87-91.2％之间。在0.1C下循环135圈后的放电比容量高达1058mAh/g，明显高于直接熔融扩散载硫所得炭硫复合正极材料，也是普通锂离子电池材料比容量的2～3倍。
本发明的原理：将MILs材料与蚕沙多孔炭复合可以显著提高炭材料的比表面积，并在孔道中形成大量具有金属位和氧位的微孔孔道，这些吸附位点能与硫形成强吸附力，硫的强力吸附和均匀负载可以有效提高复合材料整体的导电性和硫单质的利用率，从而提升复合硫正极材料的放电比容量和长效循环性能。
与现有技术相比，本发明优势之处在于：
(1)本发明利用蚕沙多孔炭的丰富孔道可以与MILs材料复合得到比表面积较高的带有金属位和氧位的吸附点位，能对硫及其多硫化物形成强吸附，能有效抑制硫组分的流失。
(2)本发明采用蒸汽扩散法能将活性硫组分均匀地负载于SPC-MILs的孔道内，可以使硫组分占据最强吸附位点并形成小S晶种，再通过化学溶液沉积法便可将更多的S负载在强吸附位，这一方面能有效提高硫组分与载体的附着力以及硫组分与导电孔壁的接触面积，另一方面也能有效避免熔融扩散法带来孔道堵塞线性，进而提高了硫的利用效率，同时能获得了长效循环的循环性能。
(3)本发明的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料具有优良的循环性能，展现了很好的工业化应用前景。
(4)本发明的制备方法简单易操作，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1是蚕沙的SEM；
图2是蚕沙多孔炭/MIL(Cr)的SEM图；
图3是本发明SPC-MIL(Cr)、MIL(Cr)-101、以及SPC-MIL(Cr)/S复合材料的XRD谱图；
图4是本发明SPC-MIL(Cr)/S复合材料的0.1C的循环性能图；
图5是本发明SPC-MIL(Cr)/S复合材料的倍率充放电曲线图；
图6是本发明SPC-MIL(Cr)/S和MIL(Cr)-101/S复合材料的EIS曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
实施例1
一种SPC-MILs/S正极材料的制备方法的制备方法，包括如下步骤，
(1)蚕沙多孔炭的制备
在N2气氛中将10.0g原蚕沙与10.0g ZnCl2粉以2℃/min的升温速率升到300℃，并在300℃下保持0.5h后降温到室温，得到蚕沙多孔炭，记为SPC。
(2)蚕沙多孔炭/MILs复合材料载体的制备：
先将1.0蚕沙多孔炭、0.5g九水合硝酸铬和0.17g对苯二酸置于50mL水溶液中，在180℃下反应20h；抽滤并烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合材料，即为SPC-MIL(Cr)；
(3)真空-蒸汽法在SPC-MIL(Cr)上载硫
先将0.3g SPC-MIL(Cr)粉末平铺于方舟内，并将方舟慢慢推入石英管的中部。将1g硫粉倒入石英管中，不与SPC-MIL(Cr)直接接触；抽真空(真空度在≤100Pa)、密封后将其放入可程序控温的烘干箱中，按照以0.5℃/min的升温速率升温至120℃，恒温保持8h后取出自然冷却至室温，得到SPC-MIL(Cr)/S1复合材料。
(4)化学溶液沉积法在SPC-MIL(Cr)/S1复合材料上二次载硫
将0.1g SPC-MIL(Cr)/S1复合材料置于100mL的硫代硫酸钠溶液中静置5h，硫代硫酸钠的浓度在0.03mol/L；然后缓慢滴加浓度3wt％的盐酸溶液12mL充分反应2h；离心过滤后，在80℃下烘干备用，样品标记为SPC-MIL(Cr)/S复合材料。
实施例2
一种SPC-MILs/S正极材料的制备方法的制备方法，包括如下步骤，
(1)蚕沙多孔炭的制备
在N2气氛中将10.0g原蚕沙与30.0g ZnCl2粉以5℃/min的升温速率升到400℃，并在400℃下保持1.0h后降温到室温，得到蚕沙多孔炭，记为SPC。
(2)蚕沙多孔炭/MILs复合材料载体的制备：
先将1.0蚕沙多孔炭、1.0g九水合硝酸铬和0.2g对苯二酸置于50mL水溶液中，在190℃下反应10h；抽滤并烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合材料，即为SPC-MIL(Cr)；
(3)真空-蒸汽法在SPC-MIL(Cr)上载硫
先将1.0g SPC-MIL(Cr)粉末平铺于方舟内，并将方舟慢慢推入石英管的中部。将2g的硫粉倒入石英管中，不与SPC-MIL(Cr)直接接触；抽真空(真空度在≤100Pa)、密封后将其放入可程序控温的烘干箱中，按照以2.0℃/min的升温速率升温至140℃，恒温保持14h后取出自然冷却至室温，得到SPC-MIL(Cr)/S1复合材料。
(4)化学溶液沉积法在SPC-MIL(Cr)/S1复合材料上二次载硫
将0.6g SPC-MIL(Cr)/S1复合材料置于200mL的硫代硫酸钠溶液中静置7h，硫代硫酸钠的浓度在0.12mol/L；然后缓慢滴加浓度6wt％的盐酸溶液120mL充分反应4h；离心过滤后，在80℃下烘干备用，样品标记为SPC-MIL(Cr)/S复合材料。
实施例3
一种SPC-MILs/S正极材料的制备方法的制备方法，包括如下步骤，
(1)蚕沙多孔炭的制备
在N2气氛中将10.0g原蚕沙与40.0g ZnCl2粉以3℃/min的升温速率升到500℃，并在500℃下保持2.0h后降温到室温，得到蚕沙多孔炭，记为SPC。
(2)蚕沙多孔炭/MILs复合材料载体的制备：
先将1.0蚕沙多孔炭、2.0g硝酸铁和0.6g均苯三酸置于50mL水溶液中，在200℃下反应13h；抽滤并烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合材料，即为SPC-MIL(Fe)；
(3)真空-蒸汽法在SPC-MIL(Fe)上载硫
先将2.0g SPC-MIL(Fe)粉末平铺于方舟内，并将方舟慢慢推入石英管的中部。将一定量的硫粉倒入石英管中，不与SPC-MIL(Fe)直接接触；抽真空(真空度在≤100Pa)、密封后将其放入可程序控温的烘干箱中，按照以2.0℃/min的升温速率升温至160℃，恒温保持20h后取出自然冷却至室温，得到SPC-MIL(Fe)/S1复合材料。
(4)化学溶液沉积法在SPC-MIL(Fe)/S1复合材料上二次载硫
将1.0g SPC-MIL(Fe)/S1复合材料置于300mL的硫代硫酸钠溶液中静置10h，硫代硫酸钠的浓度在0.20mol/L；然后缓慢滴加浓度10wt％的盐酸溶液240mL充分反应5h；离心过滤后，在80℃下烘干备用，样品标记为SPC-MIL(Fe)/S复合材料。
实施例4
一种SPC-MILs/S正极材料的制备方法的制备方法，包括如下步骤，
(1)蚕沙多孔炭的制备
在N2气氛中将10.0g原蚕沙与50.0g ZnCl2粉以6℃/min的升温速率升到600℃，并在600℃下保持3.0h后降温到室温，得到蚕沙多孔炭，记为SPC。
(2)蚕沙多孔炭/MILs复合材料载体的制备：
先将1.0蚕沙多孔炭、3.0g硝酸铝和1.4g对苯二酸置于50mL水溶液中，在210℃下反应16h；抽滤并烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合材料，即为SPC-MIL(Al)；
(3)真空-蒸汽法在SPC-MIL(Al)上载硫
先将0.6g蚕沙多孔炭SPC粉末平铺于方舟内，并将方舟慢慢推入石英管的中部。将一定量的硫粉倒入石英管中，不与SPC-MIL(Al)直接接触；抽真空(真空度在≤100Pa)、密封后将其放入可程序控温的烘干箱中，按照以1.0℃/min的升温速率升温至130℃，恒温保持10h后取出自然冷却至室温，得到SPC-MIL(Al)/S1复合材料。
(4)化学溶液沉积法在SPC-MIL(Al)/S1复合材料上二次载硫
将0.3g SPC-MIL(Al)/S1复合材料置于150mL的硫代硫酸钠溶液中静置6h，硫代硫酸钠的浓度在0.07mol/L；然后缓慢滴加浓度4wt％的盐酸溶液60mL充分反应3h；离心过滤后，在80℃下烘干备用，样品标记为SPC-MIL(Al)/S复合材料。
实施例5
一种SPC-MILs/S正极材料的制备方法的制备方法，包括如下步骤，
(1)蚕沙多孔炭的制备
在N2气氛中将10.0g原蚕沙与60.0g ZnCl2粉以4℃/min的升温速率升到700℃，并在700℃下保持5.0h后降温到室温，得到蚕沙多孔炭，记为SPC；
(2)蚕沙多孔炭/MILs复合材料载体的制备：
先将1.0蚕沙多孔炭、4.0g九水合硝酸铬和0.7g均苯三酸置于50mL水溶液中，在220℃下反应8h；抽滤并烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合材料，即为SPC-MIL(Cr-100)；
(3)真空-蒸汽法在SPC-MIL(Cr-100)上载硫
先将1.5g SPC-MIL(Cr-100)粉末平铺于方舟内，并将方舟慢慢推入石英管的中部。将一定量的硫粉倒入石英管中，不与SPC-MIL(Cr-100)直接接触；抽真空(真空度在≤100Pa)、密封后将其放入可程序控温的烘干箱中，按照以2.0℃/min的升温速率升温至150℃，恒温保持18h后取出自然冷却至室温，得到SPC-MIL(Cr-100)/S1复合材料。
(4)化学溶液沉积法在SPC-MIL(Cr-100)/S1复合材料上二次载硫
将0.8g SPC-MIL(Cr-100)/S1复合材料置于250mL的硫代硫酸钠溶液中静置9h，硫代硫酸钠的浓度在0.18mol/L；然后缓慢滴加浓度9wt％的盐酸溶液190mL充分反应4h；离心过滤后，在80℃下烘干备用，样品标记为SPC-MIL(Cr-100)/S复合材料。
材料性能测试：
(一)SPC-MIL(Cr)复合材料的表面形貌
将本发明制备的SPC-MIL(Cr)复合材料与蚕沙进行电镜扫描，得到图1～图2的SEM图。
图1是原蚕沙的SEM照片，图2是SPC-MIL(Cr)复合材料的SEM照片。
对比图1和图2中可以看出，与原蚕沙相比，蚕沙多孔炭褶皱表面逐渐消失，出现了非常丰富的孔道和通道结构，通道内部覆盖有细小的MIL(Cr)晶体颗粒，呈现出多种孔径孔道网状分布格局。这种结构很有利于S的负载和吸附。
(二)SPC-MIL(Cr)复合材料和SPC-MIL(Cr)/S复合材料的孔结构参数
采用美国Micro公司生产的ASAP-2020比表面孔径分布仪对SPC-MIL(Cr)复合材料和SPC-MIL(Cr)/S复合材料的孔隙结构进行表征，结果如表1所示。
表1SPC-MIL(Cr)复合材料和SPC-MIL(Cr)/S复合材料的孔结构参数
由表1可以看出，蚕沙多孔炭/MIL(Cr)复合材料具有较高的比表面积，其Langmuir和BET比表面积分别为2560和2102m2/g，总孔容为1.86cm3/g。这说明经过晶体生长后，复合材料的比表面积和孔容都有很大幅度提升，这说明MIL(Cr)在SPC材料中成功生长。该材料是一种具有高比表面和金属/氧吸附位点的复合材料，其中微孔、金属/氧位可以对硫及多硫化物形成较强的吸附作用力，有助于提高硫复合材料的循环稳定性，提高电池的循环性能。
通过载硫之后SPC-MIL(Cr)/S的比表面积大幅度下降，Langmuir比表面积仅剩354m2/g；其孔容也大幅度下降，仅为SPC孔容的12％；此外，微孔孔容和微孔比表面积均大幅度下降，这表面硫组分已经从蚕沙多孔炭的外孔(连通颗粒外表面的大孔或介孔)扩散到内孔之中。
(三)SPC-MIL(Cr)/S复合材料的XRD谱图
采用德国日本Rigaku D/MAX的X射线衍射仪对本发明所制备的SPC-MIL(Cr)/S复合材料、纯S以及MIL(Cr)-101/S复合材料进行XRD测试，测试条件为：Cu Kα靶，扫描速度0.2°/min，30kV。测试结果如图3所示。实验中MIL-101(Cr)金属有机骨架材料的合成：现有技术方法制备的MIL-101(Cr)晶体。
从图3可以看出，本发明制备的SPC-MIL(Cr)/S复合材料并未检测出明显的S特征峰，而显现出典型的MIL(Cr)-101晶体的特征衍射峰，这说明MIL(Cr)-101晶体在SPC材料上复合成功，同时S又以均匀和较小的颗粒形式负载到多孔载体上，XRD检测仪很难探测的到硫的晶体衍射峰。
(四)SPC-MIL(Cr)/S复合材料的电化学性能
图4示出了本发明实施例1SPC-MIL(Cr)S复合材料的0.1C(168mA/g)倍率下的循环性能图。如图所示，本发明所制备的复合材料在0.1C下放电倍率下循环135圈后，其放电比容量分别保持在1058mAh/g，库伦效率高达94.3％，其容量保持率可达89.1％。表2示出了五种实施例所得SPC-MILs/S复合材料在0.1C下循环放电性能和可逆容量保持率。由表2可知，五种复合材料在130圈循环后，放电比容量在950-1080mAh/g，其容量保持率在87-91.2％之间，均表现出较好的循环性能。
图5示出了实施例1SPC-MIL(Cr)S复合材料在不同放电倍率0.1C、0.2C、0.4C、0.8C、1.6C、2.4C和3.0C下的倍率性能图。由图5所示，电池在0.1C、0.2C、0.4C、0.8C、2.4C和3.0C下的放电比容量依次为1183、1014、859、802、633、533和484mAh/g；当放电倍率从3.0减小为0.1C时，材料的放电比容量从484mAh/g增加为1161mAh/g。同时，随着放电倍率的增加，材料的库伦效率有增加的趋势。由此可见，材料在所测试倍率变化过程，材料的循环曲线平稳，放电容量恢复性好，充分的体现了本材料的高放电比容量和优异倍率性能。
图6示出了实施例1SPC-MIL(Cr)/S复合材料以及MIL-101(Cr)@S复合材料在电池充放电10次后所测试的交流阻抗图。从图中明显可见，SPC-MIL(Cr)/S复合材料的总阻抗仅为MIL-101(Cr)@S材料总阻抗的1/3，这说明SPC与MILs晶体复合以后，硫正极的导电性能得到明显提升。
表2五种实施例所得SPC-MILs/S复合材料在0.1C下循环放电性能和可逆容量保持率

Claims (10)

1.一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤，
(1) 蚕沙多孔炭的制备：将蚕沙与ZnCl2粉末混合，置于高温管式炉中，通保护气体吹扫后，加热反应得到蚕沙多孔炭；
(2) 蚕沙多孔炭/MILs复合材料载体的制备：先将蚕沙多孔炭、金属硝酸盐和多元酸配体置于水溶液中，在180-220 °C下反应8-20 h；抽滤并烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合材料，即为SPC-MILs；
(3) SPC-MILs上载硫：先将SPC-MILs放入石英管中，再倒入硫粉进石英管中，不与SPC-MILs直接接触；抽真空、密封后放入烘干箱，升温至120～160 ºC，然后恒温保持8～20 h后取出自然冷却至室温，得到SPC-MILs/S1复合材料；
(4)二次载硫：将SPC-MILs/S1复合材料置于硫代硫酸钠溶液中静置，再滴加盐酸溶液进行化学沉积二次载硫反应2～5 h，离心过滤后，再烘干得到蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料。
2.根据权利要求1所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中ZnCl2和蚕沙的质量比为1～6 :1，加热反应温度为300~700 ºC。
3.根据权利要求1所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中金属硝酸盐与蚕沙多孔炭的质量比为0.5-4:1；金属硝酸盐与多元酸配体质量比为2~6 : 1。
4.根据权利要求1所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中金属硝酸盐为硝酸铬、硝酸铁、硝酸铝中任意一种；多元羧酸配体为对苯二酸或均苯三酸。
5.根据权利要求1所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中石英管内真空度≤100 Pa。
6.根据权利要求1所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中烘干箱采用可程序控温烘干箱，具体控温过程：
(a) 升温过程：以0.5～2.0 ºC/min的升温速率从室温升至120～160 ºC；
(b) 恒温过程：置于120～160 ºC保持10～15 h；
(c) 降温过程：恒温过程结束后立即从干燥箱内取出，自然冷却至室温。
7.根据权利要求1所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中硫代硫酸钠溶液与SPC-MILs/S1复合材料的质量比为4 ~10 : 1。
8.根据权利要求1所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中盐酸与硫代硫酸钠的摩尔比为3～11：1。
9.根据权利要求8所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中硫代硫酸钠的浓度为0.03～0.20mol/L，盐酸浓度为3～10 wt%。
10.根据权利要求1~9任一所述的蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料的制备方法得到的材料，其特征在于：该材料在电流密度为0.1C时充放电循环130圈后，放电比容量在950-1080 mAh/g，其容量保持率在87-91.2%之间。
CN201610812763.5A 2016-09-09 2016-09-09 一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法 Active CN106207135B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610812763.5A CN106207135B (zh) 2016-09-09 2016-09-09 一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610812763.5A CN106207135B (zh) 2016-09-09 2016-09-09 一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106207135A CN106207135A (zh) 2016-12-07
CN106207135B true CN106207135B (zh) 2018-10-16

Family

ID=58067051

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610812763.5A Active CN106207135B (zh) 2016-09-09 2016-09-09 一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106207135B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10204745B1 (en) 2018-04-23 2019-02-12 King Saud University Method of making a supercapacitor using porous activated carbon from cow dung

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102751492A (zh) * 2012-07-08 2012-10-24 广州市香港科大霍英东研究院 新型多孔骨架MIL-101(Cr)@S锂硫电池正极复合材料的制备方法
CN102938475A (zh) * 2012-11-08 2013-02-20 中国科学院化学研究所 钠-硫电池及其制备方法
CN103151524A (zh) * 2013-03-04 2013-06-12 北京化工大学常州先进材料研究院 一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法
CN103531759A (zh) * 2013-09-23 2014-01-22 广州市香港科大霍英东研究院 高倍率硫/中微孔碳hac锂硫电池正极复合材料的两步吸附制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102751492A (zh) * 2012-07-08 2012-10-24 广州市香港科大霍英东研究院 新型多孔骨架MIL-101(Cr)@S锂硫电池正极复合材料的制备方法
CN102938475A (zh) * 2012-11-08 2013-02-20 中国科学院化学研究所 钠-硫电池及其制备方法
CN103151524A (zh) * 2013-03-04 2013-06-12 北京化工大学常州先进材料研究院 一种高性能锂硫电池正极材料及其制备方法
CN103531759A (zh) * 2013-09-23 2014-01-22 广州市香港科大霍英东研究院 高倍率硫/中微孔碳hac锂硫电池正极复合材料的两步吸附制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Silkworms’ feces-based activated carbons as cheap adsorbents for removal of cadmium and methylene blue from aqueous solutions";Gamal M.S.ElShafei等;《Chemical Engineering Research and Design》;20140331;第92卷(第3期);第461-470页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106207135A (zh) 2016-12-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110931795B (zh) 一种柔性自支撑复合电极及其制备方法和应用
Wang et al. Synthesis of snowflake-shaped Co 3 O 4 with a high aspect ratio as a high capacity anode material for lithium ion batteries
CN110280255A (zh) 一种纳米高熵合金电催化剂及其制备方法
CN108649190A (zh) 具有三维多孔阵列结构的垂直石墨烯/钛铌氧/硫碳复合材料及其制备方法和应用
CN109686951A (zh) 一种s@npc/cnt复合材料及其制备方法和应用
Qiu et al. Tunable MOFs derivatives for stable and fast sulfur electrodes in Li-S batteries
Shan et al. Spontaneously rooting carbon nanotube incorporated N-doped carbon nanofibers as efficient sulfur host toward high performance lithium-sulfur batteries
CN111517298A (zh) 一种无定形磷化钴/纳米碳复合材料、制备方法及其应用
Wang et al. Enhanced cyclic performance of Cu2V2O7/reduced Graphene Oxide mesoporous microspheres assembled by nanoparticles as anode for Li-ion battery
CN108987729A (zh) 一种锂硫电池正极材料及其制备方法与锂硫电池
CN107634206A (zh) 一种锂离子电池柔性负极材料及其制备方法
Jiang et al. Facile preparation of Mn 3 O 4 hollow microspheres via reduction of pentachloropyridine and their performance in lithium-ion batteries
Chen et al. Boosting electrochemical performance of Li-S batteries by cerium-based MOFs coated with polypyrrole
Cai et al. Highly-ordered arrangement of Co (OH) F filaments: Planting flower-like Co (OH) F in conductive membrane substrate accelerating Li+ transfer and redox reaction in Li–S batteries
CN106299287B (zh) 一种碳化蚕沙/MILs复合硫正极材料及其制备方法
CN107887605B (zh) 一种基于活性MnO2催化的锂硫电池正极的制备方法
CN109671907A (zh) 锂硫电池用复合正极片、其制备方法及应用
CN106207135B (zh) 一种蚕沙多孔炭/MILs复合硫正极材料及其制备方法
Hart et al. Lithium Sulfide–Carbon Composites via Aerosol Spray Pyrolysis as Cathode Materials for Lithium–Sulfur Batteries
CN111864190B (zh) 一种锂硫电池柔性硫正极的制备方法
CN110171828B (zh) 一种基于碳布定向生长的FeS纳米材料及其制备方法和应用
CN109473634A (zh) 固相共热合成二硒化钼/氮掺杂碳棒的方法
CN106207136B (zh) 一种蚕沙多级孔炭复合硫正极材料及其制备方法
Zeng et al. Microwave-assisted synthesis of Cr 3 C 2@ C core shell structure anchored on hierarchical porous carbon foam for enhanced polysulfide adsorption in Li-S batteries
CN115072696B (zh) 一种Co-NCNT@HC多级孔碳材料及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant