CN111509228A - 一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料及其制法 - Google Patents

一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，且公开了一种多孔碳包覆还原态TiO2‑n的锂硫电池正极材料，包括以下配方原料及组分：TiO2‑n‑氧化石墨烯复合材料、聚乙二醇、壳聚糖、表面活性剂、升华硫。该一种多孔碳包覆还原态TiO2‑n的锂硫电池正极材料，纳米TiO2空心微球具有巨大的比表面积和独特的空间限域能力，抑制了锂多硫化合物的穿梭效应，还原态的TiO2‑n具有良好的导电性促进了电荷的传输，还原态TiO2‑n均匀地分散和附着在氧化石墨烯表面，两者之间形成导电网络为电荷提供了传输通道，多孔碳包覆还原态TiO2‑n，发达的介孔和孔隙结构，缩短了离子和电子的传输路径，提供了丰富的载硫空间，为活性硫物质的体积膨胀和收缩提供了弹性缓冲。

Description

一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料及其制法
技术领域
本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，具体为一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料及其制法。
背景技术
化石燃料是人类生活生产活动中必不可少的能源，然而随着化石燃料的过度开采引起的能源危机问题日，以及大量燃烧化石燃料带来的环境问题日益严峻，严重威胁着人类的生活和生存，潮汐能、太阳能、风能等可再生能源是一种可持续利用的绿色能量，是解决能源危机和环境问题的重要手段，因此研究和开发与相应的电化学储能系统和装置具有重要的意义，锂硫电池是锂电池的一种，是以金属锂作为负极，含硫材料作为电池正极,正极材料中的活性物质单质硫在自然界中含量丰富，价格低廉，环境友好等优点，锂离子电池的离子脱嵌机理，而锂硫电池的反应机理是电化学机理，相比于锂离子电池，锂硫电池的理论比容量和电池理论比能量更高。
锂硫电池主要包括正极材料、负极材料、电解液和隔膜等组成，其中正极材料的性质对锂硫电池的电化学性能起着至关重要的作用，目前锂硫电池正极材料主要有导电碳材料、金属氧化物材料、导电聚合物材料等，但是目前的正极材料反应产生的锂多硫化合物，很容易溶解在电解液中产生穿梭效应，导致活性硫物质减少，并且硫作的电子和离子导电性很差，抑制了电子和离子传输和迁移，大大降低正极材料的导电性能和倍率性能，并且含硫的正极材料在电池充放电过程中，很容易发生体积缩小和膨胀的现象，导致正极材料基体损耗甚至分解，大大降低了正极材料和锂硫电池的电化学稳定性。
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料及其制法，解决了锂硫电池正极材料中反应生成的锂多硫化合物，很容易溶解在电解液中产生穿梭效应的问题，同时解决了正极材料导电性能较差，并且容易发生体积缩小和膨胀现象的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分，其特征在于：14-32份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料、15-20份聚乙二醇、12-15份壳聚糖、1-3份表面活性剂、40-48份升华硫。
优选的，所述表面活性剂为聚山梨酯80。
优选的，所述TiO2-n-氧化石墨烯复合材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至170-190℃，反应5-8h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米空心微球。
(2)向反应瓶中加入蒸馏水、碳纳米空心微球和TiCl4，将反应瓶置于超声分散仪中，进行超声分散处理1-2h，超声频率为25-35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，在35-45℃下匀速搅拌反应15-20h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，将固体产物置于电阻炉中，升温速率为3-5℃/min，升温至520-550℃保温煅烧3-5h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂、氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球，将反应瓶置于超声分散仪中，在50-80℃进行超声分散处理2-3h，超声频率为30-40KHz，将溶液减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯。
(4)将纳米TiO2负载氧化石墨烯置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为8-9:1，升温速率为3-5℃/min，升温至720-750℃保温煅烧2-4h，然后退火2-3h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料。
优选的，所述碳纳米空心微球和TiCl4的质量比为1:2.5-4。
优选的，所述氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球的质量比为2-3:1。
优选的，所述恒温水浴锅包括箱体，箱体的正面设置有主面板，主面板的内部设置有观察窗，主面板的右侧活动连接有控制面板，控制面板的正面分别设置有显示面板和计时面板，箱体的左右两侧均设置有防滑板，箱体的底部固定连接有底座，箱体的背面活动连接有散热板，箱体的右侧活动连接有电路板。
优选的，所述多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水和14-32份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料，将反应瓶置于超声分散仪中，在50-70℃进行超声分散处理30-60min，超声频率为25-35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至60-70℃后加入15-20份聚乙烯醇匀速搅拌2-3h，再加入12-15份壳聚糖和1-3份表面活性剂聚山梨酯80，搅拌均匀后加入醋酸调节溶液pH至5-6，匀速搅拌1-2h，将溶液置于低温冷却仪中，在-25--35℃冷冻6-10h，然后在30-40℃下解冻，重复冷冻-解冻过程8-12次，过滤除去溶剂，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为2-4℃/min，升温至440-480℃，保温煅烧3-6h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料。
(2)将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料和40-48份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过800-1500目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至150-160℃保温1-2h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料。
(三)有益的技术效果
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
该一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，TiO2是一种良好的半导体材料，具有优异的电化学稳定性，可以作为硫载体材料，以碳纳米空心微球为模板，制备出纳米TiO2空心微球，其具有巨大的比表面积和独特的空间限域能力，对锂多硫化合物有很强的吸附固定能力，在物理空间限域作用和化学吸附的协同作用下，有效抑制了锂多硫化合物的穿梭效应，从而避免了锂多硫化合物溶解在电解质中，而导致活性硫化物损耗的现象，并且通过热还原法，制备出还原态的TiO2-n，相比于普通的TiO2，其具有良好的导电性促进了电荷的传输，因此还原态TiO2-n可以作为良好的硫载体材料。
该一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，以氧化石墨烯为基体，使还原态TiO2-n均匀地分散和附着在氧化石墨烯巨大的比表面积上，抑制了纳米还原态TiO2-n微球由于团聚和堆积而减少电化学活性位点的现象，并且氧化石墨烯具有优异的导电性能，与还原态TiO2-n之间形成导电网络，为电荷提供了传输通道，促进了电荷的扩散和迁移，同时氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团，可以有效吸附锂多硫化合物，抑制了锂多硫化合物的溶解和穿梭效应。
该一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，通过冷冻干燥法，使聚乙烯醇和壳聚糖通过交联聚合，形成孔隙丰富的水凝胶材料完全包覆覆还原态TiO2-n，再通过热裂解法，以聚合物水凝胶为碳源，制备出多孔碳包覆还原态TiO2-n复合材料，具有发达的介孔和孔隙结构，缩短了离子和电子的传输路径，并且多孔碳材料具有良好的导电性能，促进了电子的扩散和迁移，从而增强了正极材料的电化学性能，并且多孔碳材料发达的孔隙结构提供了丰富的载硫空间，为活性硫物质在充放电过程中产生的体积膨胀和收缩提供了弹性缓冲，从而增强了正极材料的电化学循环稳定性能和倍率性能。
附图说明
图1为本发明连接结构正视图；
图2为本发明连接结构后视图。
图中：1-箱体、2-主面板、3-观察窗、4-控制面板、5-显示面板、6-计时面板、7-防滑板、8-底座、9-散热板、10-电路板。
具体实施方式
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分，其特征在于：14-32份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料、15-20份聚乙二醇、12-15份壳聚糖、40-48份升华硫，1-3份表面活性剂、表面活性剂为聚山梨酯80。
TiO2-n-氧化石墨烯复合材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至170-190℃，反应5-8h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米空心微球。
(2)向反应瓶中加入蒸馏水，碳纳米空心微球和TiCl4，两者质量比为1:2.5-4，将反应瓶置于超声分散仪中，进行超声分散处理1-2h，超声频率为25-35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括箱体，箱体的正面设置有主面板，主面板的内部设置有观察窗，主面板的右侧活动连接有控制面板，控制面板的正面分别设置有显示面板和计时面板，箱体的左右两侧均设置有防滑板，箱体的底部固定连接有底座，箱体的背面活动连接有散热板，箱体的右侧活动连接有电路板，在35-45℃下匀速搅拌反应15-20h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，将固体产物置于电阻炉中，升温速率为3-5℃/min，升温至520-550℃保温煅烧3-5h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球。
(3)向反应瓶中加入蒸馏水溶剂，氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球两者质量比为2-3:1，将反应瓶置于超声分散仪中，在50-80℃进行超声分散处理2-3h，超声频率为30-40KHz，将溶液减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯。
(4)将纳米TiO2负载氧化石墨烯置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为8-9:1，升温速率为3-5℃/min，升温至720-750℃保温煅烧2-4h，然后退火2-3h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料。
多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向反应瓶中加入蒸馏水和14-32份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料，将反应瓶置于超声分散仪中，在50-70℃进行超声分散处理30-60min，超声频率为25-35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至60-70℃后加入15-20份聚乙烯醇匀速搅拌2-3h，再加入12-15份壳聚糖和1-3份表面活性剂聚山梨酯80，搅拌均匀后加入醋酸调节溶液pH至5-6，匀速搅拌1-2h，将溶液置于低温冷却仪中，在-25--35℃冷冻6-10h，然后在30-40℃下解冻，重复冷冻-解冻过程8-12次，过滤除去溶剂，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为2-4℃/min，升温至440-480℃，保温煅烧3-6h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料。
(2)将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料和40-48份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过800-1500目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至150-160℃保温1-2h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，将质量比为8-8.5:0.5-1:1的多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料、导电炭黑和胶黏剂聚偏氟乙烯分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中分散均匀形成浆液，均匀涂覆在铝箔上并干燥，制备得到锂硫电池工作电极。
实施例1
(1)制备碳纳米空心微球组分1：向反应瓶中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至170℃，反应5h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米空心微球组分1。
(2)制备纳米TiO2空心微球组分1：向反应瓶中加入蒸馏水，碳纳米空心微球组分1和TiCl4，两者质量比为1:2.5，将反应瓶置于超声分散仪中，进行超声分散处理1h，超声频率为25KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括箱体，箱体的正面设置有主面板，主面板的内部设置有观察窗，主面板的右侧活动连接有控制面板，控制面板的正面分别设置有显示面板和计时面板，箱体的左右两侧均设置有防滑板，箱体的底部固定连接有底座，箱体的背面活动连接有散热板，箱体的右侧活动连接有电路板，在35℃下匀速搅拌反应15h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，将固体产物置于电阻炉中，升温速率为3℃/min，升温至520℃保温煅烧3h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球组分1。
(3)制备纳米TiO2负载氧化石墨烯组分1：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂，氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球组分1两者质量比为2:1，将反应瓶置于超声分散仪中，在50℃进行超声分散处理2h，超声频率为30KHz，将溶液减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯组分1。
(4)制备还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料1：将纳米TiO2负载氧化石墨烯组分1置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为8:1，升温速率为3℃/min，升温至720℃保温煅烧2h，然后退火2h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料1。
(5)制备聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料1：向反应瓶中加入蒸馏水和32份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料1将反应瓶置于超声分散仪中，在50℃进行超声分散处理30min，超声频率为25KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至60℃后加入15份聚乙烯醇匀速搅拌2h，再加入12份壳聚糖和1份表面活性剂聚山梨酯80，搅拌均匀后加入醋酸调节溶液pH至5，匀速搅拌1h，将溶液置于低温冷却仪中，在-25℃冷冻6h，然后在30℃下解冻，重复冷冻-解冻过程8次，过滤除去溶剂，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为2℃/min，升温至440℃，保温煅烧3h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料1。
(6)制备多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料1：将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料1和40份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过800目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至150℃保温1h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料1。
(7)制备锂硫电池工作电极1：将质量比为8.5:0.5:1的多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料1、导电炭黑和胶黏剂聚偏氟乙烯分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中分散均匀形成浆液，均匀涂覆在铝箔上并干燥，制备得到锂硫电池工作电极1。
实施例2
(1)制备碳纳米空心微球组分2：向反应瓶中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至190℃，反应5h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米空心微球组分2。
(2)制备纳米TiO2空心微球组分2：向反应瓶中加入蒸馏水，碳纳米空心微球组分2和TiCl4，两者质量比为1:4，将反应瓶置于超声分散仪中，进行超声分散处理1h，超声频率为35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括箱体，箱体的正面设置有主面板，主面板的内部设置有观察窗，主面板的右侧活动连接有控制面板，控制面板的正面分别设置有显示面板和计时面板，箱体的左右两侧均设置有防滑板，箱体的底部固定连接有底座，箱体的背面活动连接有散热板，箱体的右侧活动连接有电路板，在45℃下匀速搅拌反应15h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，将固体产物置于电阻炉中，升温速率为5℃/min，升温至520℃保温煅烧5h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球组分2。
(3)制备纳米TiO2负载氧化石墨烯组分2：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂，氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球组分2两者质量比为2:1，将反应瓶置于超声分散仪中，在50℃进行超声分散处理3h，超声频率为40KHz，将溶液减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯组分2。
(4)制备还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料2：将纳米TiO2负载氧化石墨烯组分2置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为9:1，升温速率为5℃/min，升温至720℃保温煅烧2h，然后退火3h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料2。
(5)制备聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料2：向反应瓶中加入蒸馏水和28份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料2将反应瓶置于超声分散仪中，在50℃进行超声分散处理30min，超声频率为35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至70℃后加入16份聚乙烯醇匀速搅拌2h，再加入12.5份壳聚糖和1.5份表面活性剂聚山梨酯80，搅拌均匀后加入醋酸调节溶液pH至6，匀速搅拌1h，将溶液置于低温冷却仪中，在-25℃冷冻10h，然后在30℃下解冻，重复冷冻-解冻过程12次，过滤除去溶剂，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为2℃/min，升温至480℃，保温煅烧3h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料2。
(6)制备多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料2：将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料2和42份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过800目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至160℃保温1h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料2。
(7)制备锂硫电池工作电极2：将质量比为8.5:0.5:1的多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料2、导电炭黑和胶黏剂聚偏氟乙烯分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中分散均匀形成浆液，均匀涂覆在铝箔上并干燥，制备得到锂硫电池工作电极2。
实施例3
(1)制备碳纳米空心微球组分3：向反应瓶中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至180℃，反应6.5h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米空心微球组分3。
(2)制备纳米TiO2空心微球组分3：向反应瓶中加入蒸馏水，碳纳米空心微球组分3和TiCl4，两者质量比为1:3.2，将反应瓶置于超声分散仪中，进行超声分散处理1.5h，超声频率为30KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括箱体，箱体的正面设置有主面板，主面板的内部设置有观察窗，主面板的右侧活动连接有控制面板，控制面板的正面分别设置有显示面板和计时面板，箱体的左右两侧均设置有防滑板，箱体的底部固定连接有底座，箱体的背面活动连接有散热板，箱体的右侧活动连接有电路板，在40℃下匀速搅拌反应18h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，将固体产物置于电阻炉中，升温速率为4℃/min，升温至535℃保温煅烧4h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球组分3。
(3)制备纳米TiO2负载氧化石墨烯组分3：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂，氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球组分3两者质量比为2.5:1，将反应瓶置于超声分散仪中，在65℃进行超声分散处理2.5h，超声频率为35KHz，将溶液减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯组分3。
(4)制备还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料3：将纳米TiO2负载氧化石墨烯组分3置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为8.5:1，升温速率为4℃/min，升温至735℃保温煅烧3h，然后退火2.5h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料3。
(5)制备聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料3：向反应瓶中加入蒸馏水和23份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料3将反应瓶置于超声分散仪中，在60℃进行超声分散处理45min，超声频率为30KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至65℃后加入17.5份聚乙烯醇匀速搅拌2.5h，再加入13.5份壳聚糖和2份表面活性剂聚山梨酯80，搅拌均匀后加入醋酸调节溶液pH至6，匀速搅拌1.5h，将溶液置于低温冷却仪中，在-30℃冷冻8h，然后在35℃下解冻，重复冷冻-解冻过程10次，过滤除去溶剂，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为3℃/min，升温至460℃，保温煅烧4.5h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料3。
(6)制备多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料3：将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料3和44份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过1200目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至155℃保温1.5h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料3。
(7)制备锂硫电池工作电极3：将质量比为8.5:0.5:1的多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料3、导电炭黑和胶黏剂聚偏氟乙烯分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中分散均匀形成浆液，均匀涂覆在铝箔上并干燥，制备得到锂硫电池工作电极3。
实施例4
(1)制备碳纳米空心微球组分4：向反应瓶中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至190℃，反应8h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米空心微球组分4。
(2)制备纳米TiO2空心微球组分4：向反应瓶中加入蒸馏水，碳纳米空心微球组分4和TiCl4，两者质量比为1:4，将反应瓶置于超声分散仪中，进行超声分散处理1h，超声频率为35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括箱体，箱体的正面设置有主面板，主面板的内部设置有观察窗，主面板的右侧活动连接有控制面板，控制面板的正面分别设置有显示面板和计时面板，箱体的左右两侧均设置有防滑板，箱体的底部固定连接有底座，箱体的背面活动连接有散热板，箱体的右侧活动连接有电路板，在35℃下匀速搅拌反应20h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，将固体产物置于电阻炉中，升温速率为3℃/min，升温至550℃保温煅烧5h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球组分4。
(3)制备纳米TiO2负载氧化石墨烯组分4：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂，氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球组分4两者质量比为2:1，将反应瓶置于超声分散仪中，在80℃进行超声分散处理2h，超声频率为40KHz，将溶液减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯组分4。
(4)制备还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料4：将纳米TiO2负载氧化石墨烯组分4置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为8:1，升温速率为5℃/min，升温至750℃保温煅烧2h，然后退火3h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料4。
(5)制备聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料4：向反应瓶中加入蒸馏水和19份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料4将反应瓶置于超声分散仪中，在70℃进行超声分散处理60min，超声频率为35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至60℃后加入18.5份聚乙烯醇匀速搅拌3h，再加入14份壳聚糖和2.5份表面活性剂聚山梨酯80，搅拌均匀后加入醋酸调节溶液pH至5，匀速搅拌1h，将溶液置于低温冷却仪中，在-25℃冷冻10h，然后在30℃下解冻，重复冷冻-解冻过程12次，过滤除去溶剂，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为2℃/min，升温至480℃，保温煅烧3h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料4。
(6)制备多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料4：将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料4和46份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过800目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至160℃保温1h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料4。
(7)制备锂硫电池工作电极4：将质量比为8.5:0.5:1的多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料4、导电炭黑和胶黏剂聚偏氟乙烯分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中分散均匀形成浆液，均匀涂覆在铝箔上并干燥，制备得到锂硫电池工作电极4。
实施例5
(1)制备碳纳米空心微球组分5：向反应瓶中加入蒸馏水和葡萄糖，搅拌均匀后将溶液转移进聚四氟乙烯水热反应釜，并置于反应釜加热箱中，加热至190℃，反应8h，将溶液冷却至室温，过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，并充分干燥，制备得到碳纳米空心微球组分5。
(2)制备纳米TiO2空心微球组分5：向反应瓶中加入蒸馏水，碳纳米空心微球组分5和TiCl4，两者质量比为1:4，将反应瓶置于超声分散仪中，进行超声分散处理2h，超声频率为35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，恒温水浴锅包括箱体，箱体的正面设置有主面板，主面板的内部设置有观察窗，主面板的右侧活动连接有控制面板，控制面板的正面分别设置有显示面板和计时面板，箱体的左右两侧均设置有防滑板，箱体的底部固定连接有底座，箱体的背面活动连接有散热板，箱体的右侧活动连接有电路板，在45℃下匀速搅拌反应20h，将溶液过滤除去溶剂，使用蒸馏水洗涤固体产物，将固体产物置于电阻炉中，升温速率为5℃/min，升温至550℃保温煅烧5h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球组分5。
(3)制备纳米TiO2负载氧化石墨烯组分5：向反应瓶中加入蒸馏水溶剂，氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球组分5两者质量比为3:1，将反应瓶置于超声分散仪中，在80℃进行超声分散处理3h，超声频率为40KHz，将溶液减压浓缩除去溶剂，并充分干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯组分5。
(4)制备还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料5：将纳米TiO2负载氧化石墨烯组分5置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为9:1，升温速率为5℃/min，升温至750℃保温煅烧4h，然后退火3h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料5。
(5)制备聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料5：向反应瓶中加入蒸馏水和14份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料5将反应瓶置于超声分散仪中，在70℃进行超声分散处理60min，超声频率为35KHz，将反应瓶置于恒温水浴锅中，加热至70℃后加入20份聚乙烯醇匀速搅拌3h，再加入15份壳聚糖和3份表面活性剂聚山梨酯80，搅拌均匀后加入醋酸调节溶液pH至5，匀速搅拌2h，将溶液置于低温冷却仪中，在-35℃冷冻10h，然后在40℃下解冻，重复冷冻-解冻过程12次，过滤除去溶剂，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为4℃/min，升温至480℃，保温煅烧6h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料5。
(6)制备多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料5：将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料5和48份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过1500目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至160℃保温2h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料5。
(7)制备锂硫电池工作电极5：将质量比为8.5:0.5:1的多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料5、导电炭黑和胶黏剂聚偏氟乙烯分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中分散均匀形成浆液，均匀涂覆在铝箔上并干燥，制备得到锂硫电池工作电极5。
Figure BDA0002465766640000151
综上所述，该一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，TiO2是一种良好的半导体材料，具有优异的电化学稳定性，可以作为硫载体材料，以碳纳米空心微球为模板，制备出纳米TiO2空心微球，其具有巨大的比表面积和独特的空间限域能力，对锂多硫化合物有很强的吸附固定能力，在物理空间限域作用和化学吸附的协同作用下，有效抑制了锂多硫化合物的穿梭效应，从而避免了锂多硫化合物溶解在电解质中，而导致活性硫化物损耗的现象，并且通过热还原法，制备出还原态的TiO2-n，相比于普通的TiO2，其具有良好的导电性促进了电荷的传输，因此还原态TiO2-n可以作为良好的硫载体材料。
以氧化石墨烯为基体，使还原态TiO2-n均匀地分散和附着在氧化石墨烯巨大的比表面积上，抑制了纳米还原态TiO2-n微球由于团聚和堆积而减少电化学活性位点的现象，并且氧化石墨烯具有优异的导电性能，与还原态TiO2-n之间形成导电网络，为电荷提供了传输通道，促进了电荷的扩散和迁移，同时氧化石墨烯具有丰富的含氧官能团，可以有效吸附锂多硫化合物，抑制了锂多硫化合物的溶解和穿梭效应。
通过冷冻干燥法，使聚乙烯醇和壳聚糖通过交联聚合，形成孔隙丰富的水凝胶材料完全包覆覆还原态TiO2-n，再通过热裂解法，以聚合物水凝胶为碳源，制备出多孔碳包覆还原态TiO2-n复合材料，具有发达的介孔和孔隙结构，缩短了离子和电子的传输路径，并且多孔碳材料具有良好的导电性能，促进了电子的扩散和迁移，从而增强了正极材料的电化学性能，并且多孔碳材料发达的孔隙结构提供了丰富的载硫空间，为活性硫物质在充放电过程中产生的体积膨胀和收缩提供了弹性缓冲，从而增强了正极材料的电化学循环稳定性能和倍率性能。

Claims (7)

1.一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，包括以下按重量份数计的配方原料及组分，其特征在于：14-32份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料、15-20份聚乙二醇、12-15份壳聚糖、1-3份表面活性剂、40-48份升华硫。
2.根据权利要求1所述的一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述表面活性剂为聚山梨酯80。
3.根据权利要求1所述的一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述TiO2-n-氧化石墨烯复合材料制备方法包括以下步骤：
(1)向水热反应釜加入蒸馏水和葡萄糖，加热至170-190℃，反应5-8h，将溶液过滤除去溶剂，洗涤固体产物并干燥，制备得到碳纳米空心微球。
(2)向蒸馏水溶剂中加入碳纳米空心微球和TiCl4，将溶液进行超声分散处理1-2h，超声频率为25-35KHz，将溶液置于恒温水浴锅中加热至在35-45℃，反应15-20h，将溶液除去溶剂，洗涤固体产物，固体产物置于电阻炉中，升温速率为3-5℃/min，升温至520-550℃保温煅烧3-5h，煅烧产物即为纳米TiO2空心微球。
(3)向蒸馏水溶剂中加入氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球，将溶液在50-80℃进行超声分散处理2-3h，超声频率为30-40KHz，将溶液除去溶剂并干燥，制备得到纳米TiO2负载氧化石墨烯。
(4)将纳米TiO2负载氧化石墨烯置于气氛电阻炉中，通入氩气和氢气混合气体，体积比为8-9:1，升温速率为3-5℃/min，升温至720-750℃保温煅烧2-4h，然后退火2-3h，煅烧产物即为还原态的TiO2-n-氧化石墨烯复合材料。
4.根据权利要求3所述的一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述碳纳米空心微球和TiCl4的质量比为1:2.5-4。
5.根据权利要求3所述的一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述氧化石墨烯和纳米TiO2空心微球的质量比为2-3:1。
6.根据权利要求3所述的一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述水浴锅包括箱体(1)，所述箱体(1)的正面设置有主面板(2)，所述主面板(2)的内部设置有观察窗(3)，所述主面板(2)的右侧活动连接有控制面板(4)，所述控制面板(4)的正面分别设置有显示面板(5)和计时面板(6)，所述箱体(1)的左右两侧均设置有防滑板(7)，所述箱体(1)的底部固定连接有底座(8)，所述箱体(1)的背面活动连接有散热板(9)，所述箱体(1)的右侧活动连接有电路板(10)。
7.根据权利要求1所述的一种多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料，其特征在于：所述多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料制备方法包括以下步骤：
(1)向蒸馏水溶剂中加入14-32份TiO2-n-氧化石墨烯复合材料，将溶液在50-70℃进行超声分散处理30-60min，超声频率为25-35KHz，将溶液加热至60-70℃后加入15-20份聚乙烯醇、12-15份壳聚糖和1-3份表面活性剂聚山梨酯80，加入醋酸调节溶液pH至5-6，将溶液在-25--35℃冷冻6-10h，在30-40℃下解冻，重复冷冻-解冻过程8-12次，将固体产物置于透析袋中加入蒸馏水，进行透析除杂过程，将固体产物除去水分，置于气氛电阻炉中并通入氩气，升温速率为2-4℃/min，升温至440-480℃，保温煅烧3-6h，制备得到聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料。
(2)将聚合物基多孔碳包覆TiO2-n复合材料和40-48份升华硫混合进行球磨，直至物料全部通过800-1500目网筛，固体混合物置于烘箱中，加热至150-160℃保温1-2h，进行熔融扩散过程，制备得到多孔碳包覆还原态TiO2-n的锂硫电池正极材料。
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