CN106972168A - 一种含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法及应用，所述方法步骤如下：（1）将二氧化锰在惰性气体保护下加热，得到含有氧空位的二氧化锰；（2）将含有氧空位的二氧化锰与单质硫混合，加热煅烧，得到含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：（1）二氧化锰具有很好的多硫化锂吸附能力，能够提升锂硫电池的稳定性。（2）含有氧空位的二氧化锰具有很好的催化活性，能够促进多硫化锂向硫化锂的转变，催化锂硫电池放电过程，减少多硫化锂的溶解。（3）通过不同的煅烧温度和时间可以控制二氧化锰中氧空位的含量，从而控制锂硫电池整体的性能。

Description

一种含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法及应用
技术领域
本发明属于能源材料技术领域，涉及一种二氧化锰/硫复合材料的制备方法及应用，尤其涉及一种含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法及应用。
背景技术
随着便携式电子产业的发展，对高比能量的电池的需求更加迫切，限制于传统钴酸锂、锰酸锂等材料的比容量的制约，锂离子电池已经无法满足现在的需求。寻求一种更高比容量的二次电池势在必行。锂硫电池近些年来十分受到研究人员的重视，由于其比容量高（1675mAh/g）、成本低、单质硫来源广、无毒等优点，很有希望成为下一代高比能量的二次电池体系。
但是，目前仍然具有很多困难制约着锂硫电池的商业化应用，比如：（1）单质硫不导电，影响整个电池的电化学性能；（2）放电电位比较低，只有2.1V；（3）放电中间产物多硫化锂易溶于醚类电解液（穿梭效应），导致硫通过电解液迁移到负极表面，降低电池寿命；（4）单质硫放电过程体积膨胀严重，选用单质锂作为负极材料，存在安全隐患。以上问题中多硫化锂的溶解是目前要解决的最大的问题。
通常解决穿梭效应的方法是选用一种碳材料与单质硫复合，将单质硫和放电中间产物包裹在碳材料的孔道中。但是近期研究表明，碳材料属于非极性分子，与多硫化锂之间无法形成化学吸附的作用，导致抑制穿梭效应的效果不明显。基于此种观点，研究人员又选取元素掺杂改性碳材料的表面结构，但是掺杂的活性位点有限。最近，极性分子作为锂硫电池正极材料的研究成为抑制穿梭效应的热点。但是研究人员关注的重点主要是如何抑制穿梭效应，而很少有人去考虑催化锂硫电池放电过程的反应进度问题，如果加快多硫化锂向硫化锂的转换过程，也会间接地抑制多硫化锂的溶解，从而提升锂硫电池的循环性能。
发明内容
本发明针对现有锂硫电池正极材料的不足，提供了一种含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法及应用，含有氧空位的二氧化锰具有良好的催化能力，能够促进多硫化锂向硫化锂的转变，增加锂硫电池的稳定性，氧空位可以直接将二氧化锰在氢氩混合气中加热得到，简单易行。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）高锰酸钾与盐酸水热反应，制备二氧化锰。
本步骤中，所述二氧化锰的形貌可以是纳米线、纳米棒、纳米球、纳米片、纳米颗粒、纳米阵列、纳米花、纳米立方体中的一种。
（2）将二氧化锰在惰性气体保护下200~500℃加热2~10小时，得到含有氧空位的二氧化锰。
本步骤中，所述惰性气体为氩气、氮气、氢氩混合气中的一种。
（3）将含有氧空位的二氧化锰与单质硫按照1:1~4的质量比混合，在150~180℃的温度下加热煅烧12~24小时，得到含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料。
上述方法制备得到的含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料可应用于锂硫电池正极中，所述锂硫电池正极的制备方法如下：将含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料与导电剂和粘结剂混合，放到烘箱中40~80℃干燥，即得锂硫电池正极材料，其中：含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的质量含量是50~80%。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）二氧化锰具有很好的多硫化锂吸附能力，能够提升锂硫电池的稳定性。
（2）含有氧空位的二氧化锰具有很好的催化活性，能够促进多硫化锂向硫化锂的转变，催化锂硫电池放电过程，减少多硫化锂的溶解。
（3）通过不同的煅烧温度和时间可以控制二氧化锰中氧空位的含量，从而控制锂硫电池整体的性能。
（4）制备原料成本低，制作工艺简单，制备过程清洁环保。
附图说明
图1为本发明制备的含有氧空位的二氧化锰的SEM图；
图2为本发明制备的含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料作为锂硫电池正极时的首次充放电曲线图；
图3为本发明制备的含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料作为锂硫电池正极时的0.1C放电循环曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
（1）取0.397g 高锰酸钾，溶解到24mL去离子水中，搅拌30min，缓慢加入6mL 1mol/L的稀盐酸，继续搅拌30min，将溶液转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，150℃水热6小时，将得到的水热产物离心，干燥，得到二氧化锰；
（2）取0.1g 制备的二氧化锰，在氢氩混合气气氛下200℃加热2小时，得到含有氧空位的二氧化锰；
（3）将50 mg含有氧空位的二氧化锰与200 mg纯硫研磨均匀，放入管式炉中，通氩气做保护气155℃煅烧12小时，得到MnO2-x/S复合材料。
实施例2
（1）取0.397g 高锰酸钾，溶解到24mL去离子水中，搅拌30min，缓慢加入6mL 1mol/L的稀盐酸，继续搅拌30min，将溶液转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，150℃水热6小时，将得到的水热产物离心，干燥，得到二氧化锰；
（2）取0.1g制备的二氧化锰，在氢氩混合气气氛下200℃加热2小时，得到含有氧空位的二氧化锰；
（3）将50 mg含有氧空位的二氧化锰与200 mg纯硫研磨均匀，放入管式炉中，通氩气做保护气155℃煅烧12小时，得到 MnO2-x/S复合材料。
实施例3
（1）取0.397g高锰酸钾，溶解到24mL去离子水中，搅拌30min，缓慢加入12mL 1mol/L的稀盐酸，继续搅拌30min，将溶液转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，150℃水热6小时，将得到的水热产物离心，干燥，得到二氧化锰；
（2）取0.1g制备的二氧化锰，在氢氩混合气气氛下300℃加热2小时，得到含有氧空位的二氧化锰；
（3）将50 mg含有氧空位的二氧化锰与200 mg纯硫研磨均匀，放入管式炉中，通氩气做保护气155℃煅烧12小时，得到 MnO2-x/S 复合材料。
实施例4
（1）取0.397g高锰酸钾，溶解到24mL去离子水中，搅拌30min，缓慢加入12mL 1mol/L的稀盐酸，继续搅拌30min，将溶液转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，150℃水热6小时，将得到的水热产物离心，干燥，得到二氧化锰；
（2）取0.1g制备的二氧化锰，在氢氩混合气气氛下400℃加热2小时，得到含有氧空位的二氧化锰；
（3）将50 mg含有氧空位的二氧化锰与200 mg纯硫研磨均匀，放入管式炉中，通氩气做保护气155℃煅烧12小时，得到 MnO2-x/S 复合材料。
实施例5
（1）取0.397g 高锰酸钾，溶解到24mL去离子水中，搅拌30min，缓慢加入12mL 1mol/L的稀盐酸，继续搅拌30min，将溶液转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，150℃水热6小时，将得到的水热产物离心，干燥，得到二氧化锰；
（2）取0.1g制备的二氧化锰，在氢氩混合气气氛下200℃加热5小时，得到含有氧空位的二氧化锰；
（3）将50 mg含有氧空位的二氧化锰与200 mg纯硫研磨均匀，放入管式炉中，通氩气做保护气155℃煅烧12小时，得到 MnO2-x/S 复合材料。
实施例6
（1）取0.397g高锰酸钾，溶解到24mL去离子水中，搅拌30min，缓慢加入12mL 1mol/L的稀盐酸，继续搅拌30min，将溶液转移到50mL聚四氟乙烯反应釜中，150℃水热6小时，将得到的水热产物离心，干燥，得到二氧化锰；
（2）取0.1g制备的二氧化锰，在氢氩混合气气氛下200℃加热5小时，得到含有氧空位的二氧化锰；
（3）将50 mg含有氧空位的二氧化锰与100 mg纯硫研磨均匀，放入管式炉中，通氩气做保护气155℃煅烧12小时，得到 MnO2-x/S 复合材料。
实施例7
电极的制备及性能测试：将MnO2-x/S 复合材料、Super P和PVDF 按照质量比 8：1：1混合，用NMP做溶剂，形成浆料，搅拌12小时，涂覆在铝箔上作为正极，用金属锂作为负极，使用Celgard 2400型号隔膜，1mol/L的 LiTFSI 溶解在DOL/DME (体积比为1:1) 溶剂中做电解液，1mol/L的LiNO3 做添加剂，在手套箱中组装成扣式电池。采用Neware 池测试系统进行恒流充放电测试，充放电电压范围为 1.7 ~2.8 V。
图1为MnO2-x/S复合物的SEM图片，在图中可以看出二氧化锰空心球大小均匀，具有很大的中空结构，能后负载大量的单质硫。
图2为组装的扣式电池在电流密度为0.1C时充放电曲线，首次放电容量为1201.12 mAh/g。
图3为组装的扣式电池在电流密度为0.1C时充放电循环150圈的曲线，循环50次容量保留率为74.23%，循环100次容量保留率为71.77%，循环150次容量保留率为66.47%。

Claims (7)

1.一种含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法，其特征在于所述方法步骤如下：
（1）将二氧化锰在惰性气体保护下200~500℃加热2~10小时，得到含有氧空位的二氧化锰；
（2）将含有氧空位的二氧化锰与单质硫按照1:1~4的质量比混合，在150~180℃的温度下加热煅烧12~24小时，得到含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料。
2.根据权利要求1所述的含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法，其特征在于所述二氧化锰的形貌是纳米线、纳米棒、纳米球、纳米片、纳米颗粒、纳米阵列、纳米花、纳米立方体中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法，其特征在于所述二氧化锰由高锰酸钾与盐酸水热反应制备而成。
4.根据权利要求1所述的含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的制备方法，其特征在于所述惰性气体为氩气、氮气、氢氩混合气中的一种。
5.一种权利要求1-4任一权利要求所述方法制备得到的含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料在锂硫电池正极中的应用。
6.根据权利要求5所述的所述含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料在锂硫电池正极中的应用，其特征在于所述锂硫电池正极的制备方法如下：将含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料与导电剂和粘结剂混合，放到烘箱中40~80℃干燥，即得锂硫电池正极材料。
7.根据权利要求5所述的所述含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料在锂硫电池正极中的应用，其特征在于所述含有氧空位的二氧化锰/硫复合材料的质量含量是50~80%。
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