一种锂硫电池的硫正极及制备方法技术

本发明专利技术提供了锂硫电池的硫正极材料制备方法，步骤为：a)将荔枝壳水洗，干燥，粉碎成块状，在惰性气体保护下，进行500±50℃、2±0.5小时的退火，得到热解的荔枝壳；b)将步骤a)得到的热解荔枝壳KOH活化，再完全碳化，得到一种高比表面积的生物质活性碳，e)将步骤d)得到碳化粉末冷却后，用HCl溶液和水进行清洗，直到pH值达到7；f)将步骤e)得到粉末放入鼓风干燥箱，80±10℃干燥，得到生物质活性碳粉末；g)将步骤f)得到的生物质活性碳粉末与硫粉，按照质量比0.3-1混合研磨；得到黑色混合粉末；本发明专利技术制备的锂硫电池用的硫正极复合材料，具有高的比容量和很长的循环寿命，800个循环后容量仍能保持51％的初始容量。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了锂硫电池的硫正极材料制备方法，步骤为：a)将荔枝壳水洗，干燥，粉碎成块状，在惰性气体保护下，进行500±50℃、2±0.5小时的退火，得到热解的荔枝壳；b)将步骤a)得到的热解荔枝壳KOH活化，再完全碳化，得到一种高比表面积的生物质活性碳，e)将步骤d)得到碳化粉末冷却后，用HCl溶液和水进行清洗，直到pH值达到7；f)将步骤e)得到粉末放入鼓风干燥箱，80±10℃干燥，得到生物质活性碳粉末；g)将步骤f)得到的生物质活性碳粉末与硫粉，按照质量比0.3-1混合研磨；得到黑色混合粉末；本专利技术制备的锂硫电池用的硫正极复合材料，具有高的比容量和很长的循环寿命，800个循环后容量仍能保持51％的初始容量。【专利说明】
本专利技术涉及一种二次电池用正极材料及其制备方法，即锂硫电池的硫正极及制备 方法，尤其涉及一种含生物质活性碳的硫基复合材料及其制备方法。
技术介绍
在电动汽车、智能电网等应用领域，锂硫电池由于其非常高的能量密度（理论可 达2600Wh/kg)已引起广泛的关注。然而，单质硫的电导率很低，严重限制了它的实际应用。 另外，由于锂硫电池充放电过程中的中间产物长链多硫化锂（Li 2Sn，4彡η彡8)会溶解到有 机电解液中，引起穿梭效应。溶解的多硫化物离子在硫正极与锂负极之间穿梭，不仅会导致 库仑效率降低和活性物质的损失，而且也阻碍了电极表面的离子交换。所以，改善硫电极的 导电性以及抑制多硫化物在有机电解液中的穿梭效应成为锂硫电池领域的研究热点。 高比表面积、大孔容的多孔碳材料，如介孔碳、多孔石墨烯、碳空心球和活性碳等， 是十分合适的硫载体。碳的框架提供了一个良好的导电网络。同时，多孔结构可以有效地 限制多硫化物的扩散。活性碳由于其超高的比表面积和简单的制备工艺，已被广泛应用于 吸附、储氢、超级电容器等领域。活性碳可以由多种前驱体来制备，其中包括各种储量丰富、 可再生、廉价、对环境无害的天然材料。
技术实现思路
本专利技术目的是，提出利用具有大孔结构的荔枝壳为原料，惰性气体保护热解、通过 Κ0Η活化后碳化的方法制成多孔碳。以及生物质活性碳材料（碳化荔枝壳）附载硫作为锂 硫电池正极材料。 本专利技术通过如下技术方案予以实现，锂硫电池的硫正极材料，利用具有大孔结构 的荔枝壳为原料，惰性气体保护热解、通过Κ0Η活化后碳化的方法制成多孔碳；多孔活性碳 具有比表面积> 3000m2/g和孔容> 1. 8cm3/g ;作为载体进行附硫后（与硫混合），得到活性 碳/硫的复合材料用于锂硫电池的正极材料。 锂硫电池的硫正极制备方法，具有步骤为： a)将荔枝壳水洗，干燥，粉碎成块状，在惰性气体保护下，进行500±5(TC、2±0. 5 小时的退火，得到热解的荔枝壳； b)将步骤a)得到的热解荔枝壳与Κ0Η按质量比1:3-5混合，用水溶解Κ0Η至 30-70%的质量浓度，充分搅拌后；可以静置1小时或一段时间； c)将步骤b)得到的混合物放入鼓风干燥箱，100±20°C干燥成粉末； d)将步骤C)得到混合物粉末放入管式炉，在惰性气体保护下，进行900±50°C、 1±0. 5小时的退火碳化； e)将步骤d)得到碳化粉末冷却后，用1M的HC1溶液和水进行清洗，直到pH值达 到7 ; f)将步骤e)得到粉末放入鼓风干燥箱，80±10°C干燥，得到生物质活性碳粉末； g)将步骤f)得到的生物质活性碳粉末与硫（磺）粉，按照质量比0.3-1混合，用 玛瑙研钵进行研磨；得到黑色混合粉末； h)将步骤g)得到的混合粉末放入不锈钢高压釜的聚四氟乙烯内胆中，旋紧密封， 放入鼓风干燥箱，155±10°c加热12±3小时，使硫熔融，进入活性碳内部，得到生物质活性 碳与硫的二元复合材料； i)上述材料的应用：采用步骤h)得到的硫基复合材料与导电碳、聚偏氟乙烯胶黏 剂按质量比8:1:1的比例混合，滴入N甲基吡咯烷酮，配成浆料，用涂膜器，均匀涂在铝箔 上，真空烘箱50度2小时烘干，制成正极，在氩气气氛手套箱中和金属锂作为负极组装成二 次锂硫电池，并在电池测试系统中测试电池的性能。 所述步骤b)中，热解蒸枝壳与Κ0Η最佳混合质量比为1:4。 所述步骤g)中，生物质活性碳与硫粉最佳混合质量比为40:60。 所述步骤h)中，放入高压釜后，鼓风干燥最佳的条件为155°C、12小时。 所述步骤i)中，涂完膜后的电极片，在真空烘箱中，最佳的烘干条件为，50°C、2小 时。 于现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果： 1.生物质活性碳是在原有植物细胞壁中，活化生成大量微孔，能有效地附载硫，起 到很好的包覆硫的作用。附完硫后，在XRD图（图1)中观察不到硫的峰。在充放电过程 中，能有效防止附在微孔内部的硫形成多硫化物后溶解到电解液中，降低芽梭效应，提闻电 池的库仑效率与循环寿命。 2.生物质活性碳具有十分高的比表面积，有利于电解液与活性物质的充分接触， 加上活性碳骨架能作为整体连通的导电网络，使电极内阻降低，降低极化，提高电池倍率性 能与能量转化效率。多孔活性碳具有超高的比表面积（3164m 2/g)和大的孔容（1. 88cm3/g)， 作为载体进行附硫后，得到活性碳/硫的复合材料用于锂硫电池的正极材料。 【专利附图】【附图说明】： 图1为纯硫与实施例1中生物质活性碳、碳硫复合物（含硫量分别为60%和68% ) 以及纯硫的XRD谱。（从上到下的顺序分别为生物质活性碳、含硫60%碳硫复合物、含硫 68 %碳硫复合物，纯硫） 图2为生物质活性碳的SEM照片。 图3为碳硫复合物的SEM(a)与TEM照片（b)。 图4为实施例1中含硫60%的样品在200mA/g的电流密度下100循环的充放电曲 线。 图5为实施例1中含硫60%的样品在800mA/g的电流密度下800循环的充放电曲 线。 图6为实施例1中含硫68%的样品在800mA/g的电流密度下500循环的充放电曲 线。 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明：本专利技术的实施例在以本专利技术技术方 案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不 限于下述的实施例。 实施例1 1)取一定量的荔枝壳，经过水洗，干燥，并粉碎成块； 2)在管式炉中，用氩气保护，经过500°C 2小时的预碳化，得到热解的荔枝壳； 3)取出称重后，与Κ0Η以质量比1:4混合，用水溶解Κ0Η，用磁子将混合物充分搅 拌，静置1小时，以确保Κ0Η溶液完全渗透到热解的荔枝壳内部； 4)然后用鼓风干燥箱将混合物在100°C下干燥，等水分蒸发完全； 5)在管式炉中，用氩气保护，再进行一次900°C 1小时的退火使其完全碳化； 6)冷却后，将样品用1M HC1溶液和去离子水通过抽滤的方法清洗，直到pH值达到 7 ； 7)然后将样品在鼓风干燥箱中80°C下干燥，得到生物质活性碳材料。 8)将生物质活性碳和硫粉混合后用玛瑙研钵研磨成黑色混合物，碳硫的质量比分 别为 32:68 和 40:60 ; 9)将黑色粉末放入本文档来自技高网...

【技术保护点】
锂硫电池的硫正极材料，其特征是利用具有大孔结构的荔枝壳为原料，惰性气体保护热解、通过KOH活化后碳化的方法制成多孔碳；多孔活性碳具有比表面积≥3000m2/g和孔容≥1.8cm3/g；作为载体进行附硫后，得到活性碳/硫的复合材料用于锂硫电池的正极材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林子夏，施毅，郑明波，张松涛，赵斌，濮琳，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32