一种锂硫电池正极材料的制备方法与流程

本发明属于电池材料的技术领域，具体的涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术：

便携式电子设备和电动汽车对低重量储能的需求日益增长，这就需要对现有电池技术进行新的替代。传统锂离子电池在便携式电子设备和电动汽车中得到了广泛的应用，但是传统锂离子电池很难满足电动汽车行业对高能量密度的需求，因此亟需开发高能量密度的储能装置。与锂离子电池相比，锂硫电池具有更大的理论比容量(1675mah﹒g^-1)和更高的理论能量密度(2600wh﹒kg^-1)。此外硫是一种储量丰富的原材料，大大降低了锂硫设备的成本。因此锂硫电池作为下一代储能装置中最有前途的候选电池，受到越来越多的关注。然而其大规模的商业应用却受到一些棘手问题的阻碍：首先硫及其放电产物li2s2/li2s的绝缘特性导致活性物质的利用受到限制。更重要的是，在循环过程中作为中间产物出现的高阶多硫化锂(li2sx，4≤x≤8)在液体电解质中具有高溶解度，因此它们可以在两个电极之间穿梭，在两侧反应，并且不可避免地导致容量快速衰减和库仑效率降低。此外放电过程中硫的巨大体积变化(80％)也会影响电极的完整性。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种锂硫电池正极材料的制备方法，该方法通过1,3,5-均苯三羧酸铜(hkust-1)的催化脱羧反应，使得1,3,5-均苯三羧酸铜材料形成具有丰富多级孔的结构，从而具有固有微孔并列的更大微孔，以此作为锂硫电池的正极材料，具有提高载硫率、硫利用率和抑制多硫化物溶解的作用。

本发明的技术方案为：一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备1,3,5-均苯三羧酸铜材料：首先将cu(no3)·h2o和均苯三酸加入至由n，n-二甲基甲酰胺、乙醇和去离子水组成的混合溶液中进行搅拌，直至金属盐和有机配体完全溶解，制备得到1,3,5-均苯三羧酸铜前驱体溶液；然后将前驱体溶液转移至反应釜中进行反应以产生小晶体；待反应釜自然冷却至室温，离心收集合成产物；最后将所得合成产物洗涤、干燥，即得1,3,5-均苯三羧酸铜颗粒；

(2)1,3,5-均苯三羧酸铜颗粒的脱羧反应：首先在乙腈中混合加入agno3、k2s2o8和步骤(1)所得的1,3,5-均苯三羧酸铜颗粒，将混合物超声处理后转移至反应釜中，并置于预热的硅油浴中进行搅拌反应，对1,3,5-均苯三羧酸铜颗粒粉末进行形成非均相孔的脱羧蚀刻；反应结束后将反应釜移入冰浴中进行淬火，以防止进一步的脱羧蚀刻；冷却后加入去离子水以去除骨架中的硫酸铜络合物和残留催化剂；最后离心分离得到脱羧1,3,5-均苯三羧酸铜，并干燥；

(3)制备硫/1,3,5-均苯三羧酸铜复合材料：将硫与1,3,5-均苯三羧酸铜混合并研磨，将硫均匀地负载在1,3,5-均苯三羧酸铜上；然后将所得混合物转移至反应釜中进行反应；最后冷却收集硫/1,3,5-均苯三羧酸铜复合材料。

所述步骤(1)中cu(no3)·h2o为62mg，均苯三酸为70mg，n，n-二甲基甲酰胺为5ml，乙醇为10ml，去离子水为10ml。

所述步骤(1)中混合溶液搅拌1小时；反应釜中反应温度为85℃，反应时间为20小时；离心条件为在4000转/分条件下离心15分钟；采用乙醇洗涤且在60℃下真空干燥12小时。

所述步骤(2)中乙腈为5～20ml，agno3为100mg，k2s2o8为100mg，步骤(1)所得的1,3,5-均苯三羧酸铜颗粒为150mg。

所述步骤(2)中超声处理5～20分钟；硅油浴中反应条件为在120℃下搅拌反应20～60分钟；离心所得脱羧1,3,5-均苯三羧酸铜在60℃下真空干燥12小时。

所述步骤(3)中硫与1,3,5-均苯三羧酸铜的质量比为3:1。

所述步骤(3)中研磨30分钟；反应釜中的反应条件为在真空下加热至155℃持续12h。

本发明的有益效果为：研究表明，导致锂硫电池容量低的根本原因是其活性物质的利用率低，为了解决这一问题，本发明所述制备方法首先对1,3,5-均苯三羧酸铜材料进行催化脱羧反应，使得1,3,5-均苯三羧酸铜材料形成非均相孔隙，将硫与制备所得具有固有微孔并列的更大微孔结构的1,3,5-均苯三羧酸铜材料相结合，具有更大微孔的1,3,5-均苯三羧酸铜材料作为锂硫电池中活性物质载体，其具有高孔隙率、低密度和高比表面积，可以将硫有效限制在该材料的孔道中，微孔具有很强的吸附作用，利用孔的强吸附作用进一步限制多硫化锂的溶解流失，大幅度提高电池活性物质的利用率，从而提高锂硫电池的性能。

附图说明

图1为实施例1所制得的s/hkust-1复合材料作为正极材料用于锂硫电池的放电比容量循环图。

图2为实施例1所制得的s/hkust-1复合材料作为正极材料用于锂硫电池的倍率性能图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备hkust-1(1,3,5-均苯三羧酸铜)材料：首先将62mgcu(no3)·h2o和70mg均苯三酸加入至由5mln，n-二甲基甲酰胺、10ml乙醇和10ml去离子水组成的混合溶液中搅拌1小时，直至金属盐和有机配体完全溶解，制备得到hkust-1前驱体溶液；然后将前驱体溶液转移至40ml聚四氟乙烯内衬高压釜中，在85℃条件下保持20小时以产生小晶体；待聚四氟乙烯内衬高压釜自然冷却至室温，在4000转/分条件下离心15分钟收集合成产物；最后将所得合成产物采用乙醇洗涤且在60℃下真空干燥12小时，即得hkust-1颗粒；

(2)hkust-1颗粒的脱羧反应：首先在5ml乙腈中混合加入100mgagno3、100mgk2s2o8和150mg步骤(1)所得的hkust-1颗粒，将混合物超声处理5分钟后转移至聚四氟乙烯内衬高压釜中，并置于预热的硅油浴中，在120℃下搅拌反应20分钟，对hkust-1颗粒粉末进行形成非均相孔的脱羧蚀刻；反应结束后将高压釜迅速移入冰浴中进行淬火，以防止进一步的脱羧蚀刻；冷却后加入去离子水以去除骨架中的硫酸铜络合物和残留催化剂；最后离心分离得到脱羧hkust-1-d20，并在60℃下真空干燥12小时；

(3)制备s/hkust-1-d20复合材料：将s与hkust-1-d20按照质量比3:1进行混合并手动研磨30分钟，将s均匀地负载在hkust-1-d20上；然后将所得混合物转移至衬有特氟龙的高压釜中，并在真空下加热至155℃持续12h；最后冷却收集s/hkust-1-d20复合材料。

实施例2

所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备hkust-1材料：首先将62mgcu(no3)·h2o和70mg均苯三酸加入至由5mln，n-二甲基甲酰胺、10ml乙醇和10ml去离子水组成的混合溶液中搅拌1小时，直至金属盐和有机配体完全溶解，制备得到hkust-1前驱体溶液；然后将前驱体溶液转移至40ml聚四氟乙烯内衬高压釜中，在85℃条件下保持20小时以产生小晶体；待聚四氟乙烯内衬高压釜自然冷却至室温，在4000转/分条件下离心15分钟收集合成产物；最后将所得合成产物采用乙醇洗涤且在60℃下真空干燥12小时，即得hkust-1颗粒；

(2)hkust-1颗粒的脱羧反应：首先在10ml乙腈中混合加入100mgagno3、100mgk2s2o8和150mg步骤(1)所得的hkust-1颗粒，将混合物超声处理10分钟后转移至聚四氟乙烯内衬高压釜中，并置于预热的硅油浴中，在120℃下搅拌反应40分钟，对hkust-1颗粒粉末进行形成非均相孔的脱羧蚀刻；反应结束后将高压釜迅速移入冰浴中进行淬火，以防止进一步的脱羧蚀刻；冷却后加入去离子水以去除骨架中的硫酸铜络合物和残留催化剂；最后离心分离得到脱羧hkust-1-d40，并在60℃下真空干燥12小时；

(3)制备s/hkust-1-d40复合材料：将s与hkust-1-d40按照质量比3:1进行混合并手动研磨30分钟，将s均匀地负载在hkust-1-d40上；然后将所得混合物转移至衬有特氟龙的高压釜中，并在真空下加热至155℃持续12h；最后冷却收集s/hkust-1-d40复合材料。

实施例3

所述锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备hkust-1材料：首先将62mgcu(no3)·h2o和70mg均苯三酸加入至由5mln，n-二甲基甲酰胺、10ml乙醇和10ml去离子水组成的混合溶液中搅拌1小时，直至金属盐和有机配体完全溶解，制备得到hkust-1前驱体溶液；然后将前驱体溶液转移至40ml聚四氟乙烯内衬高压釜中，在85℃条件下保持20小时以产生小晶体；待聚四氟乙烯内衬高压釜自然冷却至室温，在4000转/分条件下离心15分钟收集合成产物；最后将所得合成产物采用乙醇洗涤且在60℃下真空干燥12小时，即得hkust-1颗粒；

(4)hkust-1颗粒的脱羧反应：首先在20ml乙腈中混合加入100mgagno3、100mgk2s2o8和150mg步骤(1)所得的hkust-1颗粒，将混合物超声处理20分钟后转移至聚四氟乙烯内衬高压釜中，并置于预热的硅油浴中，在120℃下搅拌反应60分钟，对hkust-1颗粒粉末进行形成非均相孔的脱羧蚀刻；反应结束后将高压釜迅速移入冰浴中进行淬火，以防止进一步的脱羧蚀刻；冷却后加入去离子水以去除骨架中的硫酸铜络合物和残留催化剂；最后离心分离得到脱羧hkust-1-d60，并在60℃下真空干燥12小时；

(5)制备s/hkust-1-d60复合材料：将s与hkust-1-d60按照质量比3:1进行混合并手动研磨30分钟，将s均匀地负载在hkust-1-d60上；然后将所得混合物转移至衬有特氟龙的高压釜中，并在真空下加热至155℃持续12h；最后冷却收集s/hkust-1-d60复合材料。