CN110518245B - 一种用吸水树脂制备的碳材料及其锂硫电池正极中的应用 - Google Patents

一种用吸水树脂制备的碳材料及其锂硫电池正极中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于新能源领域，公开了一种用吸水树脂制备的多孔碳及在锂硫电池正极中的应用，所述的多孔碳材料是将吸水树脂加入到盐溶液中，冷冻干燥至恒重，得到物质A；在保护气氛下在500～1200℃对物质A进行碳化处理，碳化后洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨制得。本发明利用吸水树脂制备的多孔碳材料工艺简单，成本低廉，可在锂硫电池正极中应用，性能良好，附加值高。

Description

一种用吸水树脂制备的碳材料及其锂硫电池正极中的应用
技术领域
本发明属于新能源领域，更具体地，涉及一种用吸水树脂制备的碳材料及其锂硫电池正极中的应用。
背景技术
近年来，新能源汽车取得了快速发展，新能源汽车的核心是提供动力的电池，目前新能源汽车普遍采用锂离子电池，但目前锂离子电池正极材料能量密度较小，导致新能源汽车的续航里程不足，限制了其发展。而锂硫电池由于其较大的能量密度，受到广泛关注。
锂硫电池正极活性材料为硫，单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10-30S·cm-1)，反应的最终产物多硫化锂和硫化锂也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能，需与多孔碳材料进行复合，对碳材料的孔结构要求较高，目前大多采用造孔的方式制备多孔碳材料，原材料价格较高，制备工艺复杂，而吸水树脂可通过一定的方式形成多孔碳材料，且吸水树脂价格便宜，可产生较大的经济效益和社会效益，具有重要意义。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明首要目的在于提供一种用吸水树脂制备的碳材料，该碳材料在锂硫电池正极中性能良好，附加值高。
本发明的另一目的在于提供上述用吸水树脂制备的碳材料在锂硫电池正极中的应用。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：
一种用吸水树脂制备的多孔碳材料，所述的多孔碳材料是将吸水树脂加入到盐溶液中，冷冻干燥至恒重，得到物质A；在保护气氛下在500～1200℃对物质A进行碳化处理，碳化后洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨制得。
优选地，所述的吸水树脂为淀粉接枝丙烯腈、聚丙烯酸钠、聚乙烯醇或聚氧化烷烃中的一种以上。
优选地，所述的盐溶液中盐为氯化钠、氯化镁、氯化钾或氯化钙中的一种以上。
优选地，所述的吸水树脂的质量和盐溶液的体积比为1g：(20～1000)ml。
优选地，所述的盐溶液的浓度为0～0.5mol/L
优选地，所述保护气氛为氮气或/和氩气。
优选地，所述的碳化的加热阶段的升温速率为1～20℃/min；碳化的降温阶段的降温速率为5～50℃/min。
优选地，所述碳化的时间为30～240min，
优选地，所述多孔碳材料的粒径为100nm～80μm。
所述的用吸水树脂制备的多孔碳材料在锂硫电池正极材料中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供的用吸水树脂制备的碳材料，其中关键的多孔碳材料的制备原料为吸水树脂、水和少量氯化物，成本极低，吸水树脂中含有丰富的碳元素，高温碳化后保留率高，并含有部分氮、氧元素，对多硫化锂以及硫化锂具有一定的吸附作用，对锂硫电池的循环性能具有一定的积极作用。
2.本发明生产成本低，制备简单，电池性能稳定。
附图说明
图1为实施例1所得碳材料的SEM照片。
具体实施方式
为进一步阐述本发明，下面给出实施例来说明，在下属实例中，提供了本发明若干实施方式和组成，然而本发明并不局限于采用下述方式实施，本领域技术人员在理解本发明的基础上对本发明所进行的变更、替换、改进依旧属于本发明的保护范围。
实施例1
将1g的聚丙烯酸钠加入到50ml浓度为0.1mol/L的氯化钠溶液，冷冻干燥至恒重，在高纯N2气氛下管式炉内碳化，以10℃/min的速率升温至800℃进行碳化处理120min，自然冷却降温，洗涤去除其中的钠离子，干燥至恒重，研磨，制得多孔碳材料，其粒度分布在10～80μm。
将所得多孔碳材料作为锂硫电池正极的载硫碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1C时，首次放电比容量940.2mAh/g，100周循环后放电比容量为846.3mAh/g,容量保持率为90.0％，循环性能较佳。图1为本实施例所得碳材料的SEM图片。从图1中可以看出，碳材料具有规则的孔洞，这些空洞可以容纳大量的硫，比表面积大，碳材料可与硫良好接触，两者复合具有良好的导电性。
实施例2
将1g的聚丙烯酸钠加入到200ml去离子水中，冷冻干燥至恒重，在高纯N2气氛下管式炉内碳化，以10℃/min的速率升温至500℃进行碳化处理90min，自然冷却，洗涤去除其中的钠离子，干燥至恒重，研磨，制得多孔碳材料，其粒度分布在20～120μm。
将所得多孔碳材料作为锂硫电池正极的载硫碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1C时，首次放电比容量822.1mAh/g，100周循环后放电比容量为714.2mAh/g，容量保持率为86.9％，循环性能较佳。
实施例3
将1g的吸水性聚乙烯醇加入到100ml浓度为0.2mol/L的氯化镁溶液中，冷冻干燥至恒重，在高纯氩气气氛下于管式炉内碳化，以5℃/min的速率升温至1000℃进行碳化处理120min，然后自然冷却，洗涤去除其中的钠离子，干燥至恒重，研磨，制得多孔碳材料，其粒度分布在10～80μm。
将所得多孔碳材料作为锂硫电池正极的载硫碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1C时，首次放电比容量927.1mAh/g，100周循环后放电比容量为813.9mAh/g，容量保持率为87.8％，循环性能较佳。
实施例4
将1g的淀粉接枝丙烯腈加入到100ml浓度为0.5mol/L的氯化钾溶液中，冷冻干燥至恒重，在高纯氩气气氛下于管式炉内碳化，以8℃/min的速率升温至1200℃进行碳化处理80min，然后自然冷却，洗涤去除其中的钠离子，干燥至恒重，研磨，制得多孔碳材料，其粒度分布在10～80μm。
将所得多孔碳材料作为锂硫电池正极的载硫碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1C时，首次放电比容量925.1mAh/g，100周循环后放电比容量为824.5mAh/g，容量保持率为85.7％，循环性能较佳。
实施例5
将1g的聚氧化烷烃加入到100ml浓度为0.3mol/L的氯化钙溶液中，冷冻干燥至恒重，在高纯氩气气氛下于管式炉内碳化，以6℃/min的速率升温至900℃进行碳化处理100min，然后自然冷却，洗涤去除其中的钠离子，干燥至恒重，研磨，制得多孔碳材料，其粒度分布在10～80μm。
将所得多孔碳材料作为锂硫电池正极的载硫碳材料制成纽扣电池。经过电化学性能测试，在电流密度为0.1C时，首次放电比容量928.3mAh/g，100周循环后放电比容量为826.5mAh/g，容量保持率为87.3％，循环性能较佳。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合和简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用吸水树脂制备的多孔碳材料，其特征在于，所述的多孔碳材料是将吸水树脂加入到盐溶液中，冷冻干燥至恒重，得到物质A；在保护气氛下在900~1200℃对物质A进行碳化处理30~240min，碳化后洗涤去除其中的盐离子，干燥至恒重，研磨制得；所述的吸水树脂为淀粉接枝丙烯腈、聚乙烯醇或聚氧化烷烃中的一种以上；所述的盐溶液中盐为氯化钠、氯化镁、氯化钾或氯化钙中的一种以上；所述的吸水树脂的质量和盐溶液的体积比为1g：（20~1000）mL；所述的盐溶液的浓度为0~0.5mol/L；所述保护气氛为氮气或/和氩气；所述的碳化的加热阶段的升温速率为1~20℃/min；碳化的降温阶段的降温速率为5~50℃/min；所述多孔碳材料的粒径为10~80μm；所述多孔碳材料作为锂硫电池正极材料，在电流密度为0.1C时，经100周循环后的容量保持率为87.8%，85.7%，87.3%。
2.权利要求1所述的用吸水树脂制备的多孔碳材料在锂硫电池正极材料中的应用。
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