CN112201781B - 一种钠硫电池正极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钠硫电池的技术领域,具体的涉及一种钠硫电池正极材料及其制备方法。该正极材料为Ni‑ZIF67@MXene/硫复合材料。该正极材料创新性地将空心结构的Ni‑ZIF67与Mxene通过所述方法进行复合,制备出一种导电性能良好,且具有高孔隙率的电极材料,能够有效地提高电极材料的导电性、抑制电极的体积膨胀,提高电池循环以及倍率性能。
Description
技术领域
本发明属于钠硫电池的技术领域,具体的涉及一种钠硫电池正极材料及其制备方法。
背景技术
现如今世界环境污染、温室效应、能源危机等问题日益严重,具有高比能量的二次电池对于解决突出的能源和环境问题具有非常重要的意义。锂离子二次电池具有高可逆容量、高电压、高循环性能和较高能量密度等优异性能,是目前实用化的主导电源。而传统锂离子电池正极材料例如磷酸铁锂等,具有较低的理论比容量,限制其的进一步发展。而钠硫电池一般采用单质硫或含硫材料作为正极活性物质,其理论能量密度最高可达760Wh/kg,是具有高能量密度的二次电池的代表和方向。同其他电池相比,钠硫电池还具有硫资源丰富、环境友好、价格便宜等优点。
但是硫单质的绝缘性质(室温电导率仅为5×10-30S·m-1)使电极中硫的利用率较低;同时多硫化物(Na2Sn,4<n<8)溶解在有机电解液中产生的“穿梭效应”降低了库伦效率和可逆容量。活性材料在循环过程中完全放电到NaS2,使体积膨胀高达170%,正极材料结构的破坏使其容量快速衰减,因此亟待解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于针对钠硫电池正极活性物质利用率低、倍率性能差、充放电过程体积膨胀严重以及循环寿命短的问题而提供一种钠硫电池正极材料及其制备方法,该正极材料创新性地将空心结构的Ni-ZIF67与Mxene通过所述方法进行复合,制备出一种导电性能良好,且具有高孔隙率的电极材料,能够有效地提高电极材料的导电性、抑制电极的体积膨胀,提高电池循环以及倍率性能。
本发明的技术方案为:一种钠硫电池正极材料为Ni-ZIF67@MXene/硫复合材料。
所述钠硫电池正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)制备具有十二面体结构的ZIF67:称量硝酸钴与二甲基咪唑,分别溶于甲醇中,待两者完全溶解后,将二甲基咪唑的甲醇溶液倒入硝酸钴的甲醇溶液中,充分搅拌后静止24小时;然后采用甲醇离心洗涤3次后,在60℃下保温12小时,得到ZIF67纳米颗粒;
(2)制备由层状双金属氢氧化物组成的十二面体空心壳层材料Ni-ZIF67:称量硝酸镍和步骤(1)所得ZIF67,分别溶于无水乙醇中;将硝酸镍的乙醇溶液加热至60~78℃,再将ZIF67的乙醇溶液倒入硝酸镍的乙醇溶液中,冷凝回流1小时后,冷却至室温采用乙醇离心洗涤4次,在60℃下保温12小时,得到Ni-ZIF67;
(3)制备Ni-ZIF67@Mxene复合材料:首先称量Mxene水溶液,然后将Mxene水溶液与步骤(2)所得Ni-ZIF67进行混合,在150~200℃下进行喷雾干燥处理,收集产物,即得到Ni-ZIF67@Mxene复合材料;
(4)制备Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料:将步骤(3)所得Ni-ZIF67@Mxene复合材料与纯相纳米硫粉进行混合,所得混合物置于氮气保护下的管式炉中,在100~200℃下热处理8~24h,得到Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料。
所述步骤(1)中硝酸钴为1.45g,二甲基咪唑为1.64g,硝酸钴与二甲基咪唑分别均溶于125mL的甲醇中。
所述步骤(2)中硝酸镍为730mg,ZIF67为200~400mg,硝酸镍溶于180mL无水乙醇中,ZIF67溶于20mL无水乙醇中。
所述步骤(3)中按照质量比Mxene:Ni-ZIF67为1:3~5。
所述步骤(4)中按照质量比Ni-ZIF67@Mxene复合材料:纯相纳米硫粉为1:2~5。
所述步骤(1)中搅拌20分钟。
所述步骤(4)中混合3~5h。
本发明的有益效果为:本发明针对硫导电性不佳的缺陷,利用金属有机骨架材料作为前驱体,制备出空心结构的Ni-ZIF67,具有高比表面积以及高孔隙率的特点,同时还能够有效地通过化学吸附对多硫化物进行固定,抑制穿梭效应,提高电极材料的利用率,对钠硫电池具有重要意义;同时解决了循环过程中电极的体积膨胀问题。
通过喷雾干燥将Mxene与Ni-ZIF67复合起来,得到球状复合物,既将二者有机地结合在一起,又增加了反应接触面积,为电子的快速转移提供了便利;而且Mxene导电性优异、比表面积大、机械性能强和独特二维多孔网络的几何结构,在正极材料中引入Mxene能够提高硫单质的电化学活性,缩短电子与离子的传输路径,限制多硫化物的溶解,进而提高钠硫电池的整体性能。
附图说明
图1为实施例1所得Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料作为正极材料用于钠硫电池的倍率性能图。
图2为实施例1所得Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料作为正极材料用于钠硫电池在0.1C下的充放电比容量循环图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
所述钠硫电池正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)制备具有十二面体结构的ZIF67:称量1.45g硝酸钴与1.64g二甲基咪唑,分别溶于125mL甲醇中,待两者完全溶解后,将二甲基咪唑的甲醇溶液迅速倒入硝酸钴的甲醇溶液中,充分搅拌20分钟后静止24小时;然后采用甲醇离心洗涤3次后,在60℃下保温12小时,得到ZIF67纳米颗粒;
(2)制备由层状双金属氢氧化物组成的十二面体空心壳层材料Ni-ZIF67:称量730mg硝酸镍和300mg步骤(1)所得ZIF67,硝酸镍溶于180mL无水乙醇中,ZIF67溶于20mL无水乙醇中;将硝酸镍的乙醇溶液置于圆底烧瓶中加热至70℃,再将ZIF67的乙醇溶液倒入圆底烧瓶中,冷凝回流1小时后,冷却至室温采用乙醇离心洗涤4次,在60℃下保温12小时,得到Ni-ZIF67;
(3)制备Ni-ZIF67@Mxene复合材料:首先称量Mxene水溶液,然后按照质量比Mxene:Ni-ZIF67为1:4的比例将两者混合,在180℃下进行喷雾干燥处理,收集产物,即得到Ni-ZIF67@Mxene复合材料;
(4)制备Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料:将步骤(3)所得Ni-ZIF67@Mxene复合材料与纯相纳米硫粉按照质量比1:3置于球磨罐内,使用行星式球磨机进行混合4h,所得混合物置于氮气保护下的管式炉中,在150℃下热处理12h,得到Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料。
由图1可以看出,所得正极材料拥有良好的倍率性能,即使在3C的高倍率下,仍能够保持有580mAh/g的放电比容量,表明其有良好的倍率性能。
由图2可以看出,在前20个循环过程中,电池容量有着较大的衰减,但是20循环之后,容量衰减很慢,在循环100圈之后,放电比容量仍能够保持在580mAh/g,证明了该正极材料拥有良好的循环性能。
实施例2
所述钠硫电池正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)制备具有十二面体结构的ZIF67:称量1.45g硝酸钴与1.64g二甲基咪唑,分别溶于125mL甲醇中,待两者完全溶解后,将二甲基咪唑的甲醇溶液倒入硝酸钴的甲醇溶液中,充分搅拌20分钟后静止24小时;然后采用甲醇离心洗涤3次后,在60℃下保温12小时,得到ZIF67纳米颗粒;
(2)制备由层状双金属氢氧化物组成的十二面体空心壳层材料Ni-ZIF67:称量730mg硝酸镍和200mg步骤(1)所得ZIF67,硝酸镍溶于180mL无水乙醇中,ZIF67溶于20mL无水乙醇中;将硝酸镍的乙醇溶液置于圆底烧瓶中加热至60℃,再将ZIF67的乙醇溶液倒入圆底烧瓶中,冷凝回流1小时后,冷却至室温采用乙醇离心洗涤4次,在60℃下保温12小时,得到Ni-ZIF67;
(3)制备Ni-ZIF67@Mxene复合材料:首先称量Mxene水溶液,然后按照质量比Mxene:Ni-ZIF67为1:3的比例将两者混合,在150℃下进行喷雾干燥处理,收集产物,即得到Ni-ZIF67@Mxene复合材料;
(4)制备Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料:将步骤(3)所得Ni-ZIF67@Mxene复合材料与纯相纳米硫粉按照质量比1:2置于球磨罐内,使用行星式球磨机进行混合3h,所得混合物置于氮气保护下的管式炉中,在100℃下热处理8h,得到Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料。
实施例3
所述钠硫电池正极材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)制备具有十二面体结构的ZIF67:称量1.45g硝酸钴与1.64g二甲基咪唑,分别溶于125mL甲醇中,待两者完全溶解后,将二甲基咪唑的甲醇溶液倒入硝酸钴的甲醇溶液中,充分搅拌20分钟后静止24小时;然后采用甲醇离心洗涤3次后,在60℃下保温12小时,得到ZIF67纳米颗粒;
(2)制备由层状双金属氢氧化物组成的十二面体空心壳层材料Ni-ZIF67:称量730mg硝酸镍和400mg步骤(1)所得ZIF67,硝酸镍溶于180mL无水乙醇中,ZIF67溶于20mL无水乙醇中;将硝酸镍的乙醇溶液置于圆底烧瓶中加热至78℃,再将ZIF67的乙醇溶液倒入圆底烧瓶中,冷凝回流1小时后,冷却至室温采用乙醇离心洗涤4次,在60℃下保温12小时,得到Ni-ZIF67;
(3)制备Ni-ZIF67@Mxene复合材料:首先称量Mxene水溶液,然后按照质量比Mxene:Ni-ZIF67为1:5的比例将两者混合,在200℃下进行喷雾干燥处理,收集产物,即得到Ni-ZIF67@Mxene复合材料;
(4)制备Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料:将步骤(3)所得Ni-ZIF67@Mxene复合材料与纯相纳米硫粉按照质量比1:5置于球磨罐内,使用行星式球磨机进行混合5h,所得混合物置于氮气保护下的管式炉中,在200℃下热处理24h,得到Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料。
Claims (7)
1.一种钠硫电池正极材料,其特征在于,该正极材料为Ni-ZIF67@MXene/硫复合材料;
所述复合材料通过以下步骤制备所得:
(1)制备具有十二面体结构的ZIF67:称量硝酸钴与二甲基咪唑,分别溶于甲醇中,待两者完全溶解后,将二甲基咪唑的甲醇溶液倒入硝酸钴的甲醇溶液中,充分搅拌后静止24小时;然后采用甲醇离心洗涤3次后,在60℃下保温12小时,得到ZIF67纳米颗粒;
(2)制备由层状双金属氢氧化物组成的十二面体空心壳层材料Ni-ZIF67:称量硝酸镍和步骤(1)所得ZIF67,分别溶于无水乙醇中;将硝酸镍的乙醇溶液加热至60~78℃,再将ZIF67的乙醇溶液倒入硝酸镍的乙醇溶液中,冷凝回流1小时后,冷却至室温采用乙醇离心洗涤4次,在60℃下保温12小时,得到Ni-ZIF67;
(3)制备Ni-ZIF67@Mxene复合材料:首先称量Mxene水溶液,然后将Mxene水溶液与步骤所得Ni-ZIF67进行混合,在150~200℃下进行喷雾干燥处理,收集产物,即得到Ni-ZIF67@Mxene复合材料;
(4)制备Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料:将步骤(3)所得Ni-ZIF67@Mxene复合材料与纯相纳米硫粉进行混合,所得混合物置于氮气保护下的管式炉中,在100~200℃下热处理8~24h,得到Ni-ZIF67@Mxene/硫复合材料。
2.根据权利要求1所述钠硫电池正极材料,其特征在于,所述步骤(1)中硝酸钴为1.45g,二甲基咪唑为1.64g,硝酸钴与二甲基咪唑分别均溶于125mL的甲醇中。
3.根据权利要求2所述钠硫电池正极材料,其特征在于,所述步骤(2)中硝酸镍为730mg,ZIF67为200~400mg,硝酸镍溶于180mL无水乙醇中,ZIF67溶于20mL无水乙醇中。
4.根据权利要求1所述钠硫电池正极材料,其特征在于,所述步骤(3)中按照质量比Mxene:Ni-ZIF67为1:3~5。
5.根据权利要求1所述钠硫电池正极材料,其特征在于,所述步骤(4)中按照质量比Ni-ZIF67@Mxene复合材料:纯相纳米硫粉为1:2~5。
6.根据权利要求1所述钠硫电池正极材料,其特征在于,所述步骤(1)中搅拌20分钟。
7.根据权利要求1所述钠硫电池正极材料,其特征在于,所述步骤(4)中混合3~5h。
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