中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料的制备方法与流程

[0001]
本发明属于锂硫电池的正极材料技术领域，涉及一种中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料的制备方法。


背景技术：

[0002]
锂硫电池具有很高的理论比容量(1675mah
·
g-1
)和能量密度(2600wh
·
kg-1
)，并且硫元素便宜易得，使其成为有吸引力的下一代低成本能量存储技术之一。但是锂硫电池存在许多问题，例如自身容量衰减快，硫正极电导率低，多硫化物“穿梭效应”，锂离子沉积以及在充放电过程中由于体积变化造成结构改变等问题。上述问题中，穿梭效应对锂硫电池性能的影响最大，也是最难以解决的问题。因此，寻找并开发新的锂硫电池正极材料已是亟需解决的问题。
[0003]
在对锂硫电池正极材料改进上，空心碳球/硫复合材料成为了研究热点。空心碳球具有良好的导电性，还具有高孔隙度、强吸附能力、低成本等优点。然而，由于非极性的碳与极性的多硫化物之间的化学作用很弱，单纯的物理吸附很难完全抑制多硫化物的扩散，导致在后续的循环过程中出现性能的急剧衰减。
[0004]
针对空心碳球/硫复合材料容量衰减的问题，wu等人采用柔性逐层自组装策略，将聚电解质多层(pems)和石墨烯片涂覆空心碳球/硫复合材料表面，制备的复合电极在1a g-1
电流密度下具有非常稳定的200多次循环稳定性，平均库仑效率高达99％(nano letters,2016,16(9):5488-5494)。然而，该电极材料的倍率性能和循环寿命难以满足当前应用的要求。ni等人将空心碳球/硫复合材料与高锰酸钾反应，生成一层极性的二氧化锰作为保护层，可以同时通过物理和化学吸附有效抑制多硫化物溶出(acs applied materials&interfaces,2017,9(40):34793-34803)。但是，生成的二氧化锰壳层较厚，使得硫含量只能达到60％，较低的能量密度使得其难以应用。


技术实现要素：

[0005]
为了有效抑制多硫化物在充放电过程中的穿梭效应，提高活性物质硫的利用率和电池的循环性能，本发明提供一种可作为锂硫电池正极材料的中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料的制备方法。
[0006]
本发明的技术方案如下：
[0007]
中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料的制备方法，具体步骤如下：
[0008]
步骤1，中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料：
[0009]
在超声条件下，将中空介孔碳球充分分散于水中，依次加入硫酸镍和过硫酸钾水溶液，再缓慢加入氨水，搅拌条件下反应，反应结束后离心，取固相洗涤、干燥，得到中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料；
[0010]
步骤2，制备中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料：
[0011]
将中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫混合，在150～155℃下进行热熔融挥
硫反应，得到中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料。
[0012]
步骤2中，所述的中空介孔碳球、硫酸镍和过硫酸钾的质量比为1：50：2～1：80：2，在此条件下得到的氢氧化镍恰能包裹中空介孔碳球，且得到的复合材料形貌均一。
[0013]
步骤2中，所述的反应时间为10～12h，当温度达到150～155℃时，硫具有较强的流动性，在毛细作用下进入中空介孔碳球的内部，同时此温度下硫挥发损失较小。
[0014]
步骤2中，所述的中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫的质量比为1:3～1:4。
[0015]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0016]
本发明方法操作简便，生产成本低。与普通的碳/硫复合材料相比，三维的中空介孔碳球具有较大的比表面，可以防止体积膨胀效应和提高活性物质载量，在物理束缚上也很好的抑制多硫化物的溶解。另一方面，中空介孔碳球负载的片层氢氧化镍具有超薄的结构，可以提供更多的活性位点和强有力的化学吸附多硫化物，从而达到抑制穿梭效应，稳定电池的电化学性能，同时，复合材料中的硫含量高达80％，制备的电池具有高容量、倍率性好且循环寿命长的优点。
附图说明
[0017]
图1为本发明制备的中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料的扫描电镜图。
[0018]
图2为本发明制备的中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料的透射电镜图。
[0019]
图3为本发明制备的中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫的质量比为1:4在1c下循环800圈的性能图。
[0020]
图4为对比例1中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫的质量比为1:5在1c下循环800圈的性能图。
具体实施方式
[0021]
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
[0022]
下述实施例中，所述的中空介孔碳球的制备参考文献(acs nano,2016,10(4):4579-4586.)。
[0023]
实施例1
[0024]
(1)制备中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料：
[0025]
超声条件下，将30mg中空介孔碳球充分分散在8ml水中，超声1h。将1.50g的硫酸镍溶解在3.2ml水中作为a液，60mg过硫酸钾溶解在4.8m水中作为b液。将a液缓慢滴加到中空介孔碳球分散液中，搅拌0.5h，再依次缓慢滴加b液和0.8ml氨水，搅拌1h，反应结束后通过离心、去离子水洗涤2次、烘干即可获得中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料。
[0026]
(2)制备中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料：
[0027]
将中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫按质量比1：3的比例混合，用铝箔包好，然后放入反应釜中，在环境温度为155℃的条件进行热熔融挥硫反应12h，结束后取得中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料。
[0028]
实施例2
[0029]
(1)制备中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料：
[0030]
超声条件下将30mg中空介孔碳球充分分散在8ml水中，超声1h。将2.40g的硫酸镍
溶解在3.2ml水中作为a液，60mg过硫酸钾溶解在4.8m水中作为b液。将a液缓慢滴加到中空介孔碳球分散液中，搅拌0.5h，再依次缓慢滴加b液和0.8ml氨水，搅拌1h，反应结束后通过离心、去离子水洗涤2次、烘干即可获得中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料。
[0031]
(2)制备中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料：
[0032]
将中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫按质量比1：4的比例混合，用铝箔包好，然后放入反应釜中，在环境温度为155℃的条件进行热熔融挥硫反应12h，结束后取得中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合材料。
[0033]
对比例1
[0034]
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫的质量比为1:5。
[0035]
实施例1与实施例2制得的复合材料形貌和性能相近，下面以实施例1为例。如图1所示，为实施例1制备的中空介孔碳球负载氢氧化镍的扫描电镜图。可见，制备的中空介孔碳球负载氢氧化镍形貌均一，直径为280nm左右。
[0036]
如图2所示，为实施例1制备的中空介孔碳球负载氢氧化镍的透射电镜图。从图中可以看出，中空介孔碳球负载的氢氧化镍纳米片较薄，可以提供更多是活性位点化学吸附多硫化物，其中空结构还可以提高硫含量，缓解放电过程中的体积膨胀问题。
[0037]
图3为实施例1制备的中空介孔碳球负载氢氧化镍/硫复合正极材料在1c下循环800圈的性能图。从图中可以看出，首次放电比容量为850mah/g，循环800圈后，比容量仍为584mah/g，平均每圈衰减0.33％。
[0038]
图4为对比例1中空介孔碳球负载氢氧化镍复合材料和硫的质量比为1:5在1c下循环800圈的性能图。从图中可以看出在该比例下制备的电极材料首次放电比容量仅为766mah/g，循环800圈后，比容量降为370mah/g，平均每圈衰减0.50％。与实施例1相比，电池的循环稳定性和放电比容量明显较差，循环寿命短。