一种锂硫电池正极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法，方法包括：将硫和碳材料进行球磨混合，得到硫/碳复合材料；将MXene溶液与KMnO

A cathode material for lithium sulfur battery and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池正极材料及其制备方法
本专利技术涉及锂硫电池
，具体涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法。
技术介绍
随着社会的发展，能源短缺、环境污染等问题日益突出，开发和利用风能、太阳能、地热能等清洁能源，改变现有以化石能源为主的能源供给模式，正逐渐成为当前世界各国的发展潮流。在大规模可再生能源发电与智能电网稳定运行中，绿色储能系统起枢纽作用，从时间和空间上有效、灵活地提高再生能源的利用率。二次可充电电池在绿色储能系统中对能源的转换与存储起关键作用。得益于其高能量密度，锂离子二次电池(如18650圆柱型)被广泛应用于多个储能领域(如电动汽车)。然而，传统锂离子二次电池较高的生产成本局限了其在绿色储能系统中的规模化应用。作为一种新型高比能锂离子二次电池，锂硫电池通过使用单质硫作为正极活性物质搭配金属锂负极，可提供2600Wh/Kg的高理论能量密度，是目前商业化锂离子电池比能力密度的6倍以上。同时，单质硫在地球上储量丰富、价格低廉，兼备无毒和环境友好等优点。因此，锂硫电池在绿色储能系统中具有更佳的应用潜力。尽管锂硫电池正极材料的能量密度远大于商业化锂离子电池二次电池正极材料且造价低廉。但是，锂硫电池正极材料尚存在一定不足。首先，锂硫电池正极材料使用的非金属硫正极及其充放电过程产物电导率低；其次，硫正极充放电的中间产物多硫化锂(Li2Sn)，易于溶解分散在电解液中，穿过隔膜后，到达锂负极表面，发生自放电现象；最后硫在转变为硫化锂(Li2S)过程中，会发生80％的体积膨胀，随着反复的膨胀与收缩，电极结构容易发生坍塌。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法，旨在解决现有锂硫电池正极材料电导率低，充放电的中间产物Li2Sn易于分散在电解液中穿过隔膜到达负极表面发生自放电现象，硫正极在转变为Li2S的过程中会发生体积膨胀，进而导致电极结构容易坍塌的问题。本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：一种锂硫电池正极材料的制备方法，具体步骤如下：将硫和碳材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳复合材料；将MXene溶液与KMnO4溶液混合，搅拌条件下得到MXene/MnOx复合材料；将所述硫/碳复合材料与所述MXene/MnOx复合材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳/MXene/MnOx复合材料；将所述硫/碳/MXene/MnOx复合材料加入碳纳米管分散液中，超声混合并真空抽滤，得到锂硫电池正极材料。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其中，所述将硫和碳材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳复合材料的步骤具体包括：将硫和碳材料加入乙醇中，800～1500rpm转速下球磨2～6h，得到硫/碳混合浆料；将所述硫/碳混合浆料在40～80℃下干燥3～24h，得到硫/碳复合材料。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其中，所述碳材料为乙炔黑、石墨烯、科琴黑中的一种或多种；所述碳材料与所述硫的质量比为1:(5～9)。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其中，所述将MXene溶液与KMnO4溶液混合，搅拌条件下得到MXene/MnOx复合材料的步骤具体包括：在冰浴条件下将KMnO4溶液以5～50μL/s的速率逐滴加入MXene溶液中，在200～500rpm转速下搅拌，经0.5～1.0h反应后得到MXene/MnOx混合溶液；将所述MXene/MnOx混合溶液在-23～0℃下冷冻干燥，得到MXene/MnOx复合材料；其中，所述MXene的通式为Mn+1Xn，M为过渡金属，X为C或N，n为1，2或3。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其中，所述将所述硫/碳复合材料与所述MXene/MnOx复合材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳/MXene/MnOx复合材料的步骤具体包括：将所述硫/碳复合材料与所述MXene/MnOx复合材料加入乙醇中，重复在800～1500rpm转速下球磨10～20min并静置10～20min的步骤5～8次，得到硫/碳/MXene/MnOx混合浆料；将所述硫/碳/MXene/MnOx混合浆料在40～80℃下干燥3～24h，得到硫/碳/MXene/MnOx复合材料。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其中，所述硫/碳复合材料与所述MXene/MnOx复合材料的质量比为100:(1～10)。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其中，所述将硫/碳/MXene/MnOx复合材料加入碳纳米管分散液中，超声混合并真空抽滤，得到锂硫电池正极材料的步骤具体包括：将所述硫/碳/MXene/MnOx复合材料加入碳纳米管分散液中，室温超声30～90min，得到硫/碳/MXene/MnOx/碳纳米管混合浆料；将所述硫/碳/MXene/MnOx/碳纳米管混合浆料真空抽滤，并在40～80℃下干燥3～24h，得到锂硫电池正极材料。所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其中，所述碳纳米管与所述硫/碳/MXene/MnOx复合材料的质量比为1:(5～9.5)。所述的锂硫电池正极材料制备方法，其中，所述将硫/碳/MXene/MnOx复合材料加入碳纳米管分散液中，超声混合并真空抽滤，得到锂硫电池正极材料的步骤之前还包括：将碳纳米管加入饱和硫的乙醇溶液中，用细胞粉碎仪粉碎1～5天，得到碳纳米管分散液。一种锂硫电池正极材料，其中，采用上述任一项所述的锂硫电池正极材料的制备方法制备而成。有益效果：本专利技术的制备方法通过加入碳可以提升电极材料的导电性能；通过MXene对硫正极充放电的中间产物Li2Sn进行吸附，抑制Li2Sn在锂负极表面的自放电现象；通过MnOx提供更多的吸附催化位点，提高锂硫电池正极材料的催化活性；通过碳纳米管应对电极材料的体积膨胀，提升电极材料的结构稳定性。附图说明图1是本专利技术制备的MXene/Ti3C2Tx复合材料的透射电子显微镜图；图2是由实施例1、实施例2和实施例3制备的锂硫电池电极材料分别组装的锂硫电池的CV曲线；图3是由实施例1、实施例2和实施例3制备的锂硫电池电极材料分别组装的锂硫电池在0.2C下的循环性能曲线。具体实施方式本专利技术提供一种锂硫电池正极材料及其制备方法，为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。具体地，本专利技术提供的一种锂硫电池正极材料的制备方法，包括步骤：S1、将硫和碳材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳复合材料。具体实施时，由于现有锂硫电池正极材料使用的非金属硫正极及其充放电过程产物电导率低，本实施例中将硫和碳材料加入乙醇中，然后将硫和碳材料的混合溶液加入球磨机中进行球磨，使硫粒度达到纳米级，并与碳材料充分复合，实现硫在碳材料表面的均匀包覆，从而通过碳材料提高硫正极的导电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：/n将硫和碳材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳复合材料；/n将MXene溶液与KMnO

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
将硫和碳材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳复合材料；
将MXene溶液与KMnO4溶液混合，搅拌条件下得到MXene/MnOx复合材料；
将所述硫/碳复合材料与所述MXene/MnOx复合材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳/MXene/MnOx复合材料；
将所述硫/碳/MXene/MnOx复合材料加入碳纳米管分散液中，超声混合并真空抽滤，得到锂硫电池正极材料。


2.根据权利要求1所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述将硫和碳材料加入乙醇中，球磨混合，得到硫/碳复合材料的步骤具体包括：
将硫和碳材料加入乙醇中，800～1500rpm转速下球磨2～6h，得到硫/碳混合浆料；
将所述硫/碳混合浆料在40～80℃下干燥3～24h，得到硫/碳复合材料。


3.根据权利要求2所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述碳材料为乙炔黑、石墨烯、科琴黑中的一种或多种；所述碳材料与所述硫的质量比为1:(5～9)。


4.根据权利要求1所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述将MXene溶液与KMnO4溶液混合，搅拌条件下得到MXene/MnOx复合材料的步骤具体包括：
在冰浴条件下将KMnO4溶液以5～50μL/s的速率逐滴加入MXene溶液中，200～500rpm转速下搅拌，得到MXene/MnOx混合溶液；
将所述MXene/MnOx混合溶液在-23～0℃下冷冻干燥，得到MXene/MnOx复合材料；其中，所述MXene的通式为Mn+1Xn，M为过渡金属，X为C或N，n为1，2或3。


5.根据权利要求1所述的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述将所述硫/碳复合材料与所述MXene/MnOx复合材料加入乙醇中，球磨混...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄扬，谢罗源，张旺，刘英，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44