CN113571702A - 一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用 - Google Patents
一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113571702A CN113571702A CN202110835677.7A CN202110835677A CN113571702A CN 113571702 A CN113571702 A CN 113571702A CN 202110835677 A CN202110835677 A CN 202110835677A CN 113571702 A CN113571702 A CN 113571702A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- solid
- quasi
- sulfur battery
- positive electrode
- lithium
- 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.)
- Pending
Links
- JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N [Li].[S] Chemical compound [Li].[S] JDZCKJOXGCMJGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 62
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 22
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 72
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 60
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 52
- QIJNJJZPYXGIQM-UHFFFAOYSA-N 1lambda4,2lambda4-dimolybdacyclopropa-1,2,3-triene Chemical compound [Mo]=C=[Mo] QIJNJJZPYXGIQM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 51
- 229910039444 MoC Inorganic materials 0.000 claims abstract description 51
- APUPEJJSWDHEBO-UHFFFAOYSA-P ammonium molybdate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-][Mo]([O-])(=O)=O APUPEJJSWDHEBO-UHFFFAOYSA-P 0.000 claims abstract description 40
- 229940010552 ammonium molybdate Drugs 0.000 claims abstract description 40
- 235000018660 ammonium molybdate Nutrition 0.000 claims abstract description 40
- 239000011609 ammonium molybdate Substances 0.000 claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 16
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 43
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 claims description 9
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 claims description 9
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 7
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 7
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 5
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 238000013329 compounding Methods 0.000 claims description 2
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 2
- 229920001021 polysulfide Polymers 0.000 abstract description 22
- 239000005077 polysulfide Substances 0.000 abstract description 22
- 150000008117 polysulfides Polymers 0.000 abstract description 22
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 abstract description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 14
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 abstract description 5
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 abstract description 4
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 26
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 13
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 7
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 7
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 6
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011244 liquid electrolyte Substances 0.000 description 4
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910001251 solid state electrolyte alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000967 suction filtration Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- YQCIWBXEVYWRCW-UHFFFAOYSA-N methane;sulfane Chemical compound C.S YQCIWBXEVYWRCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 229920001690 polydopamine Polymers 0.000 description 3
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 3
- 229910003178 Mo2C Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- VYFYYTLLBUKUHU-UHFFFAOYSA-N dopamine Chemical compound NCCC1=CC=C(O)C(O)=C1 VYFYYTLLBUKUHU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011267 electrode slurry Substances 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 2
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 2
- -1 transition metal carbides Chemical class 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 229910001216 Li2S Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001290 LiPF6 Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010382 chemical cross-linking Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000009831 deintercalation Methods 0.000 description 1
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 229960003638 dopamine Drugs 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000037427 ion transport Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910003473 lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Inorganic materials 0.000 description 1
- GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N lithium sulfide Chemical compound [Li+].[Li+].[S-2] GLNWILHOFOBOFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N lithium;bis(trifluoromethylsulfonyl)azanide Chemical compound [Li+].FC(F)(F)S(=O)(=O)[N-]S(=O)(=O)C(F)(F)F QSZMZKBZAYQGRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Images
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
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/583—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
- H01M4/587—Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx for inserting or intercalating light metals
-
- 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
- H01M4/62—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
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/028—Positive electrodes
-
- 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)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Abstract
本发明提供了一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括:将钼酸铵溶液和碳纳米管进行混合,固液分离,在保护性气氛下烧结,得到所述准固态锂硫电池的正极基体材料。本发明采用一步合成的方法,得到了负载于催碳纳米管表面的碳化钼的正极基体材料,其中,碳化钼的颗粒粒径较小,使得基体材料具有更高的比表面积,与被催化的多硫化物具有更高的接触面积,因此可以提供更多的催化位点,显著提高了基体材料的电催化性能,进而提高了锂硫电池中硫的氧化还原反应动力学,抑制了充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭,使得电池具有优异的充放电和循环稳定性,且制备方法简单,绿色环保,适合大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于准固态锂硫电池的技术领域,涉及一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着储能系统对能量密度需求的不断增加,锂硫电池(LSBs)的发展越来越受到人们的关注。锂硫电池具有成本低、理论能量密度高的优点,是一种极具发展前景的新一代二次电池。然而,由于硫和Li2S/Li2S2的绝缘特性、电极体积的变化以及多硫化物穿梭效应等因素的影响,锂硫电池容易出现严重的容量衰减。因此,抑制可溶性多硫化物的扩散是高性能锂硫电池亟待解决的问题。最近的研究表明,固态电解质完全抑制了多硫化物的溶解和迁移。与液态电解质相比,固态电解质具有更多的优势,包括消除多硫化物穿梭来提高循环性能和循环效率、增强Li脱嵌的稳定性以避免锂枝晶和死锂、使用不易燃的固态电解质能够大大提高电池安全性。虽然固态电解质在解决多硫化物问题方面很有前途,但电极和电解质之间的界面接触和较低的室温离子电导率可能会引起较大的电压滞后和较低的循环效率,准固态电解质整合固态电解质和液体电解质的属性,并消除了它们的缺点。作为一种准固态电解质,凝胶聚合物电解质(GPE)具有与液体电解质相近的高离子电导率和易于制备的优点。在GPE中,液体电解质提供快速的离子传递动力学,而聚合物框架作为一个屏障,以消除多硫化物的迁移。
近年来,过渡金属碳化物因其具有类似铂的催化活性、良好的电导率和含量丰富而受到人们的关注。特别是Mo2C因其高导电性和出色的电催化活性而被认为是一种很有前途的催化剂。因此,将Mo2C纳米粒子分散到碳载体上是制备锂硫正极基体的理想方法,由此获得高性能和高安全性的锂硫电池是值得关注的。
CN107425185A公开了一种碳纳米管负载的碳化钼材料的制备方法及其在锂硫电池的应用,该方法具体包括:首先将碳纳米管在酸中处理30min,处理完用超纯水洗至中性,样品110℃过夜干燥,得预处理碳纳米管;取预处理碳纳米管置于烧杯中超声以形成均匀分散的颗粒;取钼酸铵溶液逐渐滴加到载体上,超声,干燥;样品在惰性气氛下分段煅烧,然后自然冷却至室温即可。该文献中所提供的制备方法复杂,步骤繁多,且得到的碳化钼材料颗粒较大,不利于其负载于碳纳米管中。
CN105938900A公开了一种表面修饰的氮掺杂多孔碳硫复合材料在锂硫电池正极中的研究,该文献中采用硬模板法和氨气活化法制备氮掺杂多孔碳材料,将该碳材料与升华硫粉混合均匀,密闭条件下加热合成碳硫复合材料,然后利用多巴胺在多孔碳表面聚合成膜后与氧化石墨烯化学交联从而获得表面修饰的氮掺杂多孔碳硫复合材料。所述复合材料的表面均匀包覆着聚多巴胺与氧化石墨烯,聚多巴胺富含的含氮功能基团及氧化石墨烯的含氧官能基团能很好地固定硫以及抑制多硫化物穿梭,此外聚多巴胺与氧化石墨烯化学交联作用在碳材料表面形成类似贝壳结构使材料结构稳定,从而获得良好性能的锂硫电池正极复合材料。但是碳基材料对硫的限制作用较差,锂硫电池的容量衰减较快。
CN108336308A公开了一种锂硫电池正极保护材料,其包括纳米多孔碳网和均匀分布在纳米多孔碳网中的无机纳米颗粒,任意相邻两个无机纳米颗粒之间的间距为3~50nm,所述无机纳米颗粒为金属化合物纳米颗粒或金属-金属化合物复合纳米颗粒,纳米多孔碳网和无机纳米颗粒构成一体化三维纳米多孔复合网络。该正极保护材料具有物理和化学双效吸附作用,可将多硫化锂限制在正极附近,有效抑制锂硫电池正极活性材料的流失;同时可以加速可溶性多硫化锂向难溶的Li2S2或Li2S转化,从而大幅提高锂硫电池的能量转化效率和倍率性能。但是金属化合物因其导电性较差,导致多硫化物向硫化锂的转化较慢,影响电池最终的电化学性能。
因此,如何抑制锂硫电池在充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭,提升电池的电化学性能,是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用。本发明采用一步合成的方法,得到了负载于催碳纳米管表面的碳化钼的正极基体材料,其中,碳化钼的颗粒粒径较小,使得基体材料具有更高的比表面积,与被催化的多硫化物具有更高的接触面积,因此可以提供更多的催化位点,显著提高了基体材料的电催化性能,进而提高了锂硫电池中硫的氧化还原反应动力学,抑制了充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭,使得电池具有优异的充放电和循环稳定性,且制备方法简单,绿色环保,适合大规模生产。
为达到此发明目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供一种准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,所述制备方法包括:
将钼酸铵溶液和碳纳米管进行混合,固液分离,在保护性气氛下烧结,得到所述准固态锂硫电池的正极基体材料。
本发明通过将钼酸铵溶液和碳纳米管进行简单的混合,固液分离,就可以实现碳纳米管对钼离子的吸附,进一步进行烧结后,即可得到负载碳化钼的碳纳米管正极基体材料,其中,碳化钼的颗粒粒径较小,使得基体材料具有更高的比表面积,与被催化的多硫化物具有更高的接触面积,因此可以提供更多的催化位点,显著提高了基体材料的电催化性能,进而提高了锂硫电池中硫的氧化还原反应动力学,抑制了充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭,使得电池具有优异的充放电和循环稳定性,且制备方法简单,绿色环保,适合大规模生产。
本发明所提供的制备方法,无需分段烧结,一步烧结,即可得到负载于催碳纳米管表面的碳化钼的正极基体材料。
优选地,所述钼酸铵溶液的摩尔浓度为10~30mmol/L,例如10mmol/L、15mmol/L、20mmol/L、25mmol/L或30mmol/L等。
本发明中,通过调控钼酸铵溶液的摩尔浓度,改变了烧结产物中碳化钼的负载量,同时确保碳纳米管的用量一致,如果钼酸铵溶液的摩尔浓度过小,会导致碳化钼颗粒小而少,而摩尔浓度过大,又会导致碳化钼颗粒变大。
优选地,所述混合后的溶液中,每毫克碳纳米管对应的钼酸铵溶液的摩尔浓度为0.067~0.2mmol/L,例如0.067mmol/L、0.08mmol/L、0.1mmol/L、0.15mmol/L或0.2mmol/L等。
优选地,所述钼酸铵溶液中的溶剂为水。
本发明中,以水为溶剂,绿色环保。
优选地,所述混合的时间为3~4h,例如3h或4h等。
优选地,所述混合的方法包括搅拌。
优选地,所述固液分离的方法包括过滤和/或离心。
优选地,所述离心的转速为5000~9000r/min,例如5000r/min、6000r/min、7000r/min、8000r/min或9000r/min等。
本发明中,离心的转速过小,难以实现碳纳米管的沉淀分离,过大,会导致碳纳米管粘到离心管壁上难以收集。
优选地,所述离心的时间为3~5min,例如3min、4min或5min等。
优选地,对分离后的产物进行真空干燥。
优选地,所述真空干燥的温度为60~80℃,例如60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等。
优选地,所述真空干燥的时间为6~18h,例如6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h或18h等。
优选地,所述烧结的温度为700~900℃,例如700℃、750℃、800℃、850℃或900℃等。
优选地,所述烧结的时间为3~5h,例如3h、4h或5h等。
优选地,所述保护性气氛包括氮气气氛、氦气气氛或氩气气氛中的任意一种或至少两种的组合,优选为氩气气氛。
优选地,所述碳纳米管的平均长度为10~20μm,例如10μm、11μm、12μm、13μm、14μm、15μm、16μm、17μm、18μm、19μm或20μm等。
作为优选的技术方案,所述制备方法包括:
将摩尔浓度为10~30mmol/L的钼酸铵溶液和平均长度为10~20μm的碳纳米管搅拌3~4h,以5000~9000r/min的转速离心3~5min,对离心后的产物在60~80℃的温度下真空干燥6~18h,最后在保护性气氛下以700~900℃的烧结温度烧结3~5h,得到所述准固态锂硫电池的正极基体材料;
所述钼酸铵溶液中的溶剂为水;所述保护性气氛为氩气气氛。
第二方面,本发明提供一种准固态锂硫电池的正极基体材料,所述正极基体材料由第一方面所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法制备得到,所述正极基体材料为碳纳米管负载碳化钼。
优选地,所述碳化钼的中值粒径为3~10nm,例如3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm或10nm等。
优选地,所述正极基体材料中,碳化钼的含量为4.5~16wt%,例如4.5wt%、5wt%、10wt%、15wt%或16wt%等。
第三方面,本发明提供一种准固态锂硫电池的正极材料,所述正极材料由如第二方面所述的准固态锂硫电池的正极基体材料与硫复合后得到。
第四方面,本发明还提供一种准固态锂硫电池,所述电池包括如第三方面所述的准固态锂硫电池的正极材料。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
本发明采用一步合成的方法,得到了负载于催碳纳米管表面的碳化钼的正极基体材料,其中,碳化钼的颗粒粒径较小,使得基体材料具有更高的比表面积,与被催化的多硫化物具有更高的接触面积,因此可以提供更多的催化位点,显著提高了基体材料的电催化性能,进而提高了锂硫电池中硫的氧化还原反应动力学,抑制了充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭,使得电池具有优异的充放电和循环稳定性,电池在不同的充放电电流下,具有优异的放电比容量,且在0.5C下,初始放电比容量可达549mAh/g,循环100圈后,其容量保持率可达78.9%以上,钼酸铵的摩尔浓度进一步增加后,可达80.5%以上,且制备方法简单,绿色环保,适合大规模生产。
附图说明
图1为实施例1制备得到的准固态锂硫电池的正极基体材料的TEM图。
图2为实施例1制备得到的准固态锂硫电池的正极基体材料的XRD图。
图3为实施例1制备得到的准固态锂硫电池的正极基体材料的热重曲线图。
图4为实施例2制备得到的准固态锂硫电池的正极基体材料的TEM图。
图5为实施例6制备得到的准固态锂硫电池的正极基体材料的TEM图。
图6为实施例1制备得到的准固态锂硫纽扣电池的循环性能图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种准固态锂硫电池的正极基体材料,所述正极基体材料为碳纳米管表面负载碳化钼,其中,碳化钼的含量为11.4wt%。
所述正极基体材料的制备方法如下:
将0.74g钼酸铵((NH4)6Mo7O24.4H2O)溶解于30ml去离子水中,得到摩尔浓度为20mmol/L的钼酸铵溶液,并放入磁力转子使溶液均匀分散后将150mg的平均长度为15μm的碳纳米管(CNT)溶解于钼酸铵溶液中,持续搅拌4h至溶液混合均匀;将得到的混合溶液使用离心机进行离心处理,转速6000r/min,时间5min,提取离心后产物,在真空烘箱中真空烘干,温度80℃,抽真空保温12h;最后将得到的吸附有钼酸铵的碳纳米管在氩气保护气氛下烧结,首先抽真空,尽量排净管式炉中的空气,然后通入氩气,在氩气的保护下以700℃的烧结温度烧结4h,降温冷却后得到的黑色粉末为碳纳米管负载碳化钼,即为所述。
从图1提供的实施例1制备得到的正极基体材料的TEM图可以看出,碳化钼颗粒已经成功负载到碳纳米管表面,且颗粒为纳米级别,分布较为均匀,碳纳米管直径约30~50nm,提供了具有高比表面积以及高导电性的正极基体材料,负载的催化型碳化钼能够提高材料整体的催化效果,整体提高了锂硫电池中硫的氧化还原反应动力学,抑制了充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭。
从图2的XRD图中可以看出,实施例1制备的颗粒确为碳化钼,除此之外26°左右的峰为碳纳米管表现出的碳峰,说明合成物质确为所需CNT/Mo2C,无其他杂相产生。
实施例1在空气条件下烧结后测试热重曲线如图3所示,根据图中物质的剩余量可以计算得出合成物质中碳化钼的含量为11.4wt%。
从图6可以看出,由实施例1所提供的准固态锂硫电池,具有优异的循环稳定性。
实施例2
本实施例提供一种准固态锂硫电池的正极基体材料,所述正极基体材料为碳纳米管表面负载碳化钼,其中,碳化钼的含量为4.9wt%。
所述正极基体材料的制备方法如下:
将0.37g钼酸铵((NH4)6Mo7O24.4H2O)溶解于30ml去离子水中,得到摩尔浓度为10mmol/L的钼酸铵溶液,并放入磁力转子使溶液均匀分散后将150mg的平均长度为10μm的碳纳米管(CNT)溶解于钼酸铵溶液中,持续搅拌3h至溶液混合均匀;将得到的混合溶液使用离心机进行离心处理,转速9000r/min,时间3min,提取离心后产物,在真空烘箱中真空烘干,温度60℃,抽真空保温18h;最后将得到的吸附有钼酸铵的碳纳米管在氩气保护气氛下烧结,首先抽真空,尽量排净管式炉中的空气,然后通入氩气,在氩气的保护下以900℃的烧结温度烧结3h,降温冷却后得到的黑色粉末为碳纳米管负载碳化钼,即为所述。
实施例2制备的CNT/Mo2C透射电子显微镜照片如图4所示,从图中可以看出碳化钼颗粒已经成功负载在碳纳米管中,颗粒为纳米级别,提供了具有高比表面积以及高导电性的正极基体材料,负载的催化型碳化钼能够提高材料整体的催化效果,整体提高了锂硫电池中硫的氧化还原反应动力学,抑制了充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭。
实施例3
本实施例提供一种准固态锂硫电池的正极基体材料,所述正极基体材料为碳纳米管表面负载碳化钼,其中,碳化钼的含量为15.8wt%。
所述正极基体材料的制备方法如下:
将1.11g钼酸铵((NH4)6Mo7O24.4H2O)溶解于30ml去离子水中,得到摩尔浓度为30mmol/L的钼酸铵溶液,并放入磁力转子使溶液均匀分散后将150mg的平均长度为20μm的碳纳米管(CNT)溶解于钼酸铵溶液中,持续搅拌4h至溶液混合均匀;将得到的混合溶液使用离心机进行离心处理,转速5000r/min,时间5min,提取离心后产物,在真空烘箱中真空烘干,温度65℃,抽真空保温15h;最后将得到的吸附有钼酸铵的碳纳米管在氩气保护气氛下烧结,首先抽真空,尽量排净管式炉中的空气,然后通入氩气,在氩气的保护下以800℃的烧结温度烧结4h,降温冷却后得到的黑色粉末为碳纳米管负载碳化钼,即为所述。
实施例4
本实施例与实施例1的区别为,本实施例中,将使用离心机进行离心处理改为过滤。
所述正极基体材料的制备方法如下:
将0.74g钼酸铵((NH4)6Mo7O24.4H2O)溶解于30ml去离子水中,得到摩尔浓度为20mmol/L的钼酸铵溶液,并放入磁力转子使溶液均匀分散后将150mg的平均长度为15μm的碳纳米管(CNT)溶解于钼酸铵溶液中,持续搅拌4h至溶液混合均匀;将得到的混合溶液使用抽滤装置进行抽滤分离,所需时间约15min,取抽滤后产物,在真空烘箱中真空烘干,温度80℃,抽真空保温12h;最后将得到的吸附有钼酸铵的碳纳米管在氩气保护气氛下烧结,首先抽真空,尽量排净管式炉中的空气,然后通入氩气,在氩气的保护下以700℃的烧结温度烧结4h,降温冷却后得到的黑色粉末为碳纳米管负载碳化钼,即为所述。
本实施例中通过抽滤的方式改变分离方式,增加了分离所需时间,经过与实施例1相同的过程烧结后,最终验证其中碳化钼的含量为9.3wt%,低于离心方式分离所得产物。
实施例5
本实施例与实施例1的区别为,本实施例中,钼酸铵溶液的摩尔浓度为5mmol/L。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例6
本实施例与实施例1的区别为,本实施例中,钼酸铵溶液的摩尔浓度为40mmol/L。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
实施例6通过增大钼酸铵的用量来增加负载碳化钼的量,实施例6制备的CNT/Mo2C透射电子显微镜照片如图5所示,从图中可以看出碳化钼颗粒已经成功负载在碳纳米管中,但是碳化钼颗粒大小不均,直径约几十纳米,远远大于实施例1与实施例2中的碳化钼颗粒,原因为:由于浓度增加使碳化钼颗粒之间发生聚集,无法均匀负载在碳纳米管上,而团聚的碳化钼会使催化效果变差,导致整体电池电性能有所下降。
对比例1
本对比例与实施例1的区别为,本对比例中不加入钼酸铵溶液。
其余制备方法与参数与实施例1保持一致。
将实施例1-6与对比例1-2制备得到的CNT/Mo2C正极基体材料和升华硫以3:7比例混合研磨,然后再氩气气氛下熔融烧结12h,得到S@CNT/Mo2C的正极材料。
将实施例1-6与对比例1-2制备得到的正极材料、导电炭黑(Super P)和粘结剂(PVDF)按照质量比8:1:1的比例物理混合,加入NMP,得到正极浆料,待浆料中的活性组分均分分散后将其刮涂在涂碳铝箔上,放入真空烘箱60℃烘干12h;利用∮=12mm的裁片机将烘干后的极片膜裁为d=12mm的极片并选择质量相差不多的极片作为待组装的正极极片,称取质量后装带,放入手套箱中;采用典型的原位聚合方法,在充氩的手套箱中制备了GPE。将2.5mol/L的LiPF6溶解于电解液(组成为1mol/L的LiTFSI溶于DOL/DME(v/v=1:1))中,在室温下静置一段时间。按照组装纽扣电池的顺序在手套箱中组装电池,即组装形成准固态锂硫纽扣电池。静置24h后,测试电池的循环性能和倍率性能。
将实施例1-6与对比例1-2所提供的电池在0.05C,0.1C,0.2C,0.5C和1C电流密度下,进行充放电测试,得到其放电比容量;组装好的电池经过24h的静置在0.5C的倍率下进行循环性能测试,测试圈数为100圈,得到100圈后的放电比容量,其结果如表1所示。(测试电压为1.5-3.0V)
表1
从实施例1与实施例5和6的数据结果可知,当钼酸铵溶液的摩尔浓度过小时,不利于碳化钼颗粒的生长,而当钼酸铵溶液的摩尔浓度过大时,会使得碳化钼颗粒之间发生聚集,无法均匀负载在碳纳米管上,团聚的碳化钼使催化效果变差,整体电池电性能下降。
从实施例1与对比例1的数据结果可知,不负载碳化钼后,循环性能和稳定性明显变差,进一步说明了碳化钼催化剂通过加速反应动力学提高了电化学性能。
综上所述,本发明采用一步合成的方法,得到了负载于催碳纳米管表面的碳化钼的正极基体材料,其中,碳化钼的颗粒粒径较小,使得基体材料具有更高的比表面积,与被催化的多硫化物具有更高的接触面积,因此可以提供更多的催化位点,显著提高了基体材料的电催化性能,进而提高了锂硫电池中硫的氧化还原反应动力学,抑制了充放电过程中多硫化物在循环过程中的穿梭,使得电池具有优异的充放电和循环稳定性,电池在不同的充放电电流下,具有优异的放电比容量,且在0.5C下,初始放电比容量可达549mAh/g,循环100圈后,其容量保持率可达78.9%以上,钼酸铵的摩尔浓度进一步增加后,可达80.5%以上,且制备方法简单,绿色环保,适合大规模生产。
申请人声明,以上所述仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,所属技术领域的技术人员应该明了,任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
将钼酸铵溶液和碳纳米管进行混合,固液分离,在保护性气氛下烧结,得到所述准固态锂硫电池的正极基体材料。
2.根据权利要求1所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,其特征在于,所述钼酸铵溶液的摩尔浓度为10~30mmol/L;
优选地,所述混合后的溶液中,每毫克碳纳米管对应的钼酸铵溶液的摩尔浓度为0.067~0.2mmol/L;
优选地,所述钼酸铵溶液中的溶剂为水。
3.根据权利要求1或2所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,其特征在于,所述混合的时间为3~4h;
优选地,所述混合的方法包括搅拌。
4.根据权利要求1-3任一项所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,其特征在于,所述固液分离的方法包括过滤和/或离心;
优选地,所述离心的转速为5000~9000r/min;
优选地,所述离心的时间为3~5min;
优选地,对离心后的产物进行真空干燥;
优选地,所述真空干燥的温度为60~80℃;
优选地,所述真空干燥的时间为6~18h。
5.根据权利要求1-4任一项所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,其特征在于,所述烧结的温度为700~900℃;
优选地,所述烧结的时间为3~5h;
优选地,所述保护性气氛包括氮气气氛、氦气气氛或氩气气氛中的任意一种或至少两种的组合,优选为氩气气氛。
6.根据权利要求1-5任一项所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,其特征在于,所述碳纳米管的平均长度为10~20μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
将摩尔浓度为10~30mmol/L的钼酸铵溶液和平均长度为10~20μm的碳纳米管搅拌3~4h,以5000~9000r/min的转速离心3~5min,对离心后的产物在60~80℃的温度下真空干燥6~18h,最后在保护性气氛下以700~900℃的烧结温度烧结3~5h,得到所述准固态锂硫电池的正极基体材料;
所述钼酸铵溶液中的溶剂为水;所述保护性气氛为氩气气氛。
8.一种准固态锂硫电池的正极基体材料,其特征在于,所述正极基体材料由权利要求1-7任一项所述的准固态锂硫电池的正极基体材料的制备方法制备得到,所述正极基体材料为碳纳米管表面负载碳化钼;
优选地,所述碳化钼的中值粒径为3~10nm;
优选地,所述正极基体材料中,碳化钼的含量为4.5~16wt%。
9.一种准固态锂硫电池的正极材料,其特征在于,所述正极材料由如权利要求8所述的准固态锂硫电池的正极基体材料与硫复合后得到。
10.一种准固态锂硫电池,其特征在于,所述电池包括如权利要求9所述的准固态锂硫电池的正极材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110835677.7A CN113571702A (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110835677.7A CN113571702A (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113571702A true CN113571702A (zh) | 2021-10-29 |
Family
ID=78166539
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110835677.7A Pending CN113571702A (zh) | 2021-07-23 | 2021-07-23 | 一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113571702A (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114914426A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-16 | 大连理工大学 | 一种高性能硫@炭/碳化钼复合材料及其制备方法 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107425185A (zh) * | 2017-07-17 | 2017-12-01 | 济南大学 | 一种碳纳米管负载的碳化钼材料的制备方法及其在锂硫电池正极材料中的应用 |
WO2018152755A1 (zh) * | 2017-02-23 | 2018-08-30 | 深圳先进技术研究院 | 一种二次电池及其制备方法 |
CN111180701A (zh) * | 2020-01-06 | 2020-05-19 | 深圳大学 | 一种锂硫电池正极材料及其制备方法 |
-
2021
- 2021-07-23 CN CN202110835677.7A patent/CN113571702A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018152755A1 (zh) * | 2017-02-23 | 2018-08-30 | 深圳先进技术研究院 | 一种二次电池及其制备方法 |
CN107425185A (zh) * | 2017-07-17 | 2017-12-01 | 济南大学 | 一种碳纳米管负载的碳化钼材料的制备方法及其在锂硫电池正极材料中的应用 |
CN111180701A (zh) * | 2020-01-06 | 2020-05-19 | 深圳大学 | 一种锂硫电池正极材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (5)
Title |
---|
BO YU等: "In Situ Construction of Mo2C Quantum Dots-Decorated CNT Networks as a Multifunctional Electrocatalyst for Advanced Lithium-Sulfur Batteries", 《SMALL》 * |
NAN JIANG等: "Decorating ketjen black with ultra-small Mo2C nanoparticles to enhance polysulfides chemisorption and redox kinetics for lithium-sulfur batteries", 《JOURNAL OF ENERGY CHEMISTRY》 * |
YAZHOU ZHOU等: "Ecofriendly and environment-friendly synthesis of size-controlled silver nanoparticles/graphene composites for antimicrobial and SERS actions", 《APPLIED SURFACE SCIENCE》 * |
何杰等: "《工业催化》", 31 July 2014 * |
蔡佩君等: "《非氧化物纳米材料低温溶剂热制备》", 31 March 2015 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114914426A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-16 | 大连理工大学 | 一种高性能硫@炭/碳化钼复合材料及其制备方法 |
CN114914426B (zh) * | 2022-05-30 | 2024-02-23 | 大连理工大学 | 一种硫@炭/碳化钼硫正极材料及其制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Xiao et al. | A sulfur host based on cobalt–graphitic carbon nanocages for high performance lithium–sulfur batteries | |
CN108598390B (zh) | 一种锂硫电池用正极材料的制备方法及锂硫电池 | |
Xia et al. | Facile synthesis of MoO3/carbon nanobelts as high-performance anode material for lithium ion batteries | |
CN110299516B (zh) | 碳纳米管阵列负载钛酸锂柔性电极材料的制备方法 | |
CN102916167B (zh) | 用作锂离子电池负极材料的介孔硅复合物及其制备方法 | |
CN108346790B (zh) | 一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法及其应用 | |
CN111675208B (zh) | 一种硫-氮掺杂空心碳纳米管复合材料及其制备方法和应用 | |
CN106025200A (zh) | 一种氮掺杂MXene电池负极材料的制备方法及其应用 | |
Zhao et al. | Construction of Co@ N-CNTs grown on N-Mo x C nanosheets for separator modification to enhance adsorption and catalytic conversion of polysulfides in Li–S batteries | |
CN111056555A (zh) | 一种锂化的硅基复合材料及其制备方法和应用 | |
Lei et al. | Crosslinked polyacrylonitrile precursor for S@ pPAN composite cathode materials for rechargeable lithium batteries | |
CN110311111B (zh) | N掺杂CNT原位包覆Co纳米颗粒复合材料及制备与应用 | |
CN114023957B (zh) | 一种含硒化合物/碳纤维储能材料及其制备方法和应用 | |
Xu et al. | Cyanometallic framework-derived dual-buffer structure of Sn-Co based nanocomposites for high-performance lithium storage | |
CN109950503B (zh) | 一种CoMoOx/碳/硫复合纳米材料的制备方法、锂离子电池负极及锂离子半电池 | |
CN112751008B (zh) | 多酚改性锌铁基异质结氧化物碳纳米锂离子电池负极复合材料及其制备方法 | |
CN114300671A (zh) | 一种石墨复合负极材料及其制备方法和应用 | |
CN113793932A (zh) | 一种双层碳包覆钴基/钴基硫属复合电极材料、制备方法、应用 | |
CN113571702A (zh) | 一种准固态锂硫电池的正极基体材料及其制备方法和应用 | |
CN110061198B (zh) | 一种硅碳复合负极材料及其制备方法和应用 | |
CN116470024A (zh) | 一种用于锂硫电池的金属氧化物基复合正极材料的制备方法 | |
Wei et al. | The Metal–Organic Frameworks Derived Co3O4/TiO2 Heterojunction as a High‐Efficiency Sulfur Carrier for Lithium–Sulfur Batteries | |
CN114162814A (zh) | 一种石墨的改性方法 | |
CN112018356A (zh) | 一种片状钾离子负极材料 | |
Zhang et al. | Co-W bimetallic carbides as sulfur host for high-performance lithium–sulfur batteries |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211029 |
|
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |