一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法及其应用

本发明属于电池电极材料，具体涉及一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法及其在锂硫电池正极中的应用。

背景技术：

1、随着能源需求消耗的不断增加，化石燃料能源的大量使用带来了全球气温上升以及其他的剧烈气候变化的挑战，除此之外，能源的持续开采也让环境问题越来越严峻。因此，绿色清洁的可再生能源就显得格外重要，它们在自然界里持续不断的循环再生，种类丰富。为了更有效地利用太阳能、风能等可再生清洁能源，同时不受其间歇性、波动性的影响，人们成功开发了电池这种电化学储能技术可以有效打破传统储能技术在空间和时间方面的桎梏，目前已实现大规模应用。该技术的不断更新和迭代，大力促进了全球能源结构转型，为实现美丽绿色家园奠定了坚实的技术基础。

2、目前使用的主要储能装置是锂离子电池，该类电池能量密度较低且普遍受到资源量限制，加工利用成本高，限制了其在高能量密度应用需求领域中的规模化应用。因此，更高能量密度储能技的创新及其所需关键材料开发显得尤为重要。而锂硫(li-s)电池因其高达1675mah/g的理论比容量，同时采用自然界含量丰富、价格低廉的硫元素作为活性材料，被认为是未来电化学储能领域的最具有竞争力的电化学储能技术之一。

3、尽管锂硫(li-s)电池优势突出，但活性物质硫的导电性差，充放电过程中体积膨胀以及生成的多硫化物易溶于电解液导致的穿梭效应等棘手问题阻碍了其进一步发展。为了克服这些难题，人们提出了多种应对策略：采用具有良好导电性的碳材料作为基底来提高正极的导电能力；设计构造多孔空心结构来缓解正极体积的剧烈变化；通过物理和化学吸附来限制多硫化物的迁移。碳纳米管、石墨烯、科琴黑等非极性的碳材料，虽然可以显著提高材料整体的导电性，但其物理吸附多硫化物作用有限。相比之下，部分金属及其化合物具有极性键，可以通过强烈的化学相互作用来吸附可溶性的多硫化物从而有效阻止其来回穿梭。

4、已有报道称五氧化二钒，二氧化锰等具有改善锂硫电池循环稳定性的作用，除此之外，二氧化钼含有极性的金属-氧键，同时具有一定的电导率，也被证明是捕获多硫化物的良好载体。因此将二氧化钼和碳基体相结合作为硫宿主复合材料，不仅可以改善活性物质硫导电性差的问题，而且极性化学键更有利于抑制穿梭效应，这种协同作用有助于提升锂硫电池的电化学性能。

技术实现思路

1、本发明提供了一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法及其应用，该方法合成过程操作简单、成本低、制备条件温和、设备要求低并且易于控制，所制备的产物可作为锂硫电池正极材料并表现出良好的电化学性能。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，该方法以科琴黑为基底材料，四水合钼酸铵为钼源，在经过预处理的科琴黑表面包覆二氧化钼。具体包括以下步骤：

3、(1)将科琴黑粉体加入到氢氧化钾溶液中室温搅拌，抽滤干燥后置于惰性气氛中高温焙烧，待其自然冷却后收集产物使用稀盐酸和去离子水充分洗涤至中性，所得粉体经真空干燥后得到预处理的科琴黑；

4、将步骤(1)得到的预处理科琴黑粉体先在磁力搅拌状态下分散到去离子水中形成科琴黑悬浮液后再进行超声处理，得到充分分散、没有大团聚块的科琴黑悬浮液。继而在超声分散状态下加入四水合钼酸铵，得到科琴黑-钼酸铵混合液，所得混合液在室温下继续搅拌，最后经抽滤真空干燥后得到科琴黑-钼酸铵前驱体粉末；

5、将步骤(2)得到的前驱体粉末充分研磨后置于惰性气氛中高温焙烧，待其自然冷却后收集的产物即为科琴黑/二氧化钼复合电极材料。

6、进一步的，所述步骤(1)中，氢氧化钾溶液和稀盐酸溶液的浓度为1-3mol/l，搅拌时间为2-5h，干燥温度为60-80℃，干燥时间为12-15h。

7、进一步的，所述步骤(1)中，惰性气氛为氮气或氩气，焙烧温度为800-1000℃，焙烧时间为2-4h。

8、进一步的，所述步骤(2)中，搅拌分散时间为0.5h，超声处理时间为1-2h，加入四水合钼酸铵搅拌时间为3-6h，干燥温度为60-80℃，干燥时间为12-15h。

9、进一步的，所述步骤(2)中，所用预处理科琴黑和四水合钼酸铵的质量比为1：(1～10)。

10、进一步的，所述步骤(3)中，惰性气氛为氮气或氩气，煅烧温度为700-800℃，煅烧时间为3-6h。

11、上述的一种科琴黑负载二氧化钼复合材料可以在锂硫电池中应用，将获得的科琴黑负载二氧化钼复合材料用于锂硫电池正极，具体包括以下步骤：

12、(1)将上述负载二氧化钼的科琴黑和升华硫按质量比2：3充分研磨混合，并在氮气氛围下155℃加热12h得到碳/硫混合物；将碳/硫混合物，导电炭黑(super-p)和聚偏氟乙烯(pvdf)以质量比7：2：1在n-甲基吡咯烷酮(nmp)混合，得到的浆料均匀涂敷在铝箔上，经过60℃干燥12h后，裁剪成直径为12mm的圆片，最终制得锂硫电池正极材料；接着按照正极壳、正极材料、电解液、隔膜、电解液、负极锂片、垫片、弹片、负极壳的顺序组装成扣式电池。

13、本发明的有益效果：

14、该材料采用经过氢氧化钾处理的科琴黑作为碳基底，除了具有良好的导电性，预处理的科琴黑具有比表面积和孔体积变大，可以提供更多的活性位点，这有利于承载更多的活性物质，促进电解液与基底材料的充分接触并在一定程度上缓解体积膨胀，同时以四水合钼酸铵为钼源经高温热处理后在科琴黑表面生成的二氧化钼也可以吸附多硫化物并促进其转化，从而进一步增强电池性能。整个合成过程操作简单，成本低，制备条件温和，易于控制。

技术特征：

1.一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，以科琴黑为基底材料，四水合钼酸铵为钼源，在经过预处理的科琴黑表面负载二氧化钼，以期提高基体材料的电化学性能；具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，氢氧化钾溶液和稀盐酸溶液的浓度为1-3mol/l，搅拌时间为2-5h，干燥温度为60-80℃，干燥时间为12-15h。

3.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，惰性气氛为氮气或氩气，焙烧温度为800-1000℃，焙烧时间为2-4h。

4.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，搅拌分散时间为0.5h，超声处理时间为1-2h，加入四水合钼酸铵搅拌时间为3-6h，干燥温度为60-80℃，干燥时间为12-15h。

5.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所用预处理科琴黑和四水合钼酸铵的质量比为1：(1～10)。

6.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，惰性气氛为氮气或氩气，焙烧温度为700-800℃，煅烧时间为3-6h。

7.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述碳基体材料选自科琴黑、碳纳米管、生物质炭、石墨烯等中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气体选自氮气、氩气中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述的一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述可溶性钼盐材料选自四水合钼酸铵、钼酸钠、钼酸钾等中的一种或几种。

10.利用权利要求1～6任一项所述方法制备的一种科琴黑负载二氧化钼复合材料在锂硫电池中的应用，其特征在于，将获得的科琴黑负载二氧化钼复合材料用于锂硫电池正极，具体包括以下步骤：

技术总结
一种科琴黑负载二氧化钼复合电极材料的制备方法及其应用，包括:(1)科琴黑加入到氢氧化钾溶液中室温搅拌，抽滤干燥后置于惰性气氛中高温焙烧，待其自然冷却后收集产物用稀盐酸和去离子水充分洗涤至中性，干燥得到预处理的科琴黑粉体；(2)将步骤(1)得到的科琴黑在去离子水中搅拌后再在超声分散的同时加入四水合钼酸铵，得到科琴黑‑钼酸铵混合液。该混合液继续在室温下搅拌，抽滤干燥得到科琴黑‑钼酸铵混合前驱体粉末；(3)将步骤(2)得到的前驱体置于惰性气氛中高温焙烧，待其自然冷却后收集的产物即为科琴黑/二氧化钼复合电极材料。该方法具有成本低、工艺简单、条件温和等特点，制备的复合材料可作为锂硫电池正极并表现出良好的电化学性能。

技术研发人员：海春喜,薛胜鹏,周园,董生德,马路祥,许琪,贺欣,孙艳霞
受保护的技术使用者：成都理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15