硫化钴/碳复合正极材料的制备方法、铝离子电池正极及铝离子电池技术

本发明专利技术提供了一种硫化钴/碳复合正极材料的制备方法、铝离子电池正极及铝离子电池，包括：将钴源与烷基取代类咪唑按照预设比例分别溶于溶剂形成溶液，然后将两种溶液混合，得到含钴有机金属框架材料；将含钴有机金属框架材料和硫源在预设温度下保温一段时间，冷却至室温后得到硫化钴/碳复合正极材料。本发明专利技术通过片状结构的含钴有机金属框架材料经过含钴有机金属框架材料与硫源进行硫化处理，可以原位地形成硫化钴在碳骨架中均匀分散的结构，即形成碳包覆硫化钴的硫化钴/碳复合正极材料，该正极材料中，由于碳的包覆，增强了正极材料的结构稳定性，可以缓解硫化钴在充放电过程中的流失，从而改善了正极材料的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
硫化钴/碳复合正极材料的制备方法、铝离子电池正极及铝离子电池
本专利技术涉及铝离子电池
，具体而言，涉及一种硫化钴/碳复合正极材料的制备方法、铝离子电池正极及铝离子电池。
技术介绍
铝二次电池具有能量大、成本低、重量轻、体积小、绿色环保、安全稳定、性价比高等特点，是可以循环利用持续发展的可再生新能源。金属铝廉价易得、易回收，而且铝是地球上含量最丰的金属元素；铝作为铝离子电池的负极材料，其比能量很高，理论电化学比容量可达2980mAh/g，在金属元素中仅次于锂；铝的理论体积比容量可达8050mAh/cm3，高于现有技术中的大部分电池负极材料。由于铝离子电池负极材料具有较高的容量，相应的，其正极材料也应具有较高的容量，方能与负极匹配以制备出高能量密度的铝离子电池。因此，正极材料是新型铝离子电池的关键组成部分，是决定其电化学性能的主要因素。过渡金属硫化物具有导电性好、电容量大等优异的特性，这使其成为极具竞争力的新型铝离子电池正极材料。但过渡金属硫化物在进行电极反应时所产生的Al2S3等中间产物可溶解于电解液中，导致铝离子电池的容量在充放电过程中严重衰减。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提出了一种硫化钴/碳复合正极材料的制备方法、铝离子电池正极及铝离子电池，旨在解决现有铝离子电池正极材料结构稳定性及导电性均较差且正极材料的活性物质在循环过程中易溶于电解液的问题。第一方面，本专利技术提出了一种硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将钴源与烷基取代类咪唑按照预设比例分别溶于溶剂形成溶液，然后将两种溶液混合、静置沉降后，经处理得到含钴有机金属框架材料；步骤2，将所述含钴有机金属框架材料和硫源在第一预设温度下保温一段时间，冷却至室温后，经处理，得到硫化钴/碳复合正极材料。进一步地，上述硫化钴/碳复合正极材料的制备方法中，还包括步骤3，将所述硫化钴/碳复合正极材料在惰性保护气氛下进行升温至不低于所述第一预设温度的第二预设温度、在所述第二预设温度下热处理一段时间后并对其进行冷却的处理。进一步地，上述硫化钴/碳复合正极材料的制备方法中，所述惰性保护气为氮气、氩气、氦气和氖气中的一种或多种，所述溶剂为甲醇、乙醇和水中的一种或多种。进一步地，上述硫化钴/碳复合正极材料的制备方法中，所述钴源为硝酸钴、硫酸钴和氯化钴中的至少一种；和/或所述烷基取代类咪唑为2-甲基咪唑、2-乙基咪唑和1,2-二甲基咪唑中的至少一种；和/或所述硫源为硫代乙酰胺、硫脲和升华硫中的至少一种。进一步地，上述硫化钴/碳复合正极材料的制备方法中，所述钴源与烷基取代类咪唑的摩尔比为1：（2-20）；优选为1：（5-15）；更优选为1：8。进一步地，上述硫化钴/碳复合正极材料的制备方法中，所述含钴有机金属框架材料与所述硫源的质量比为1：（0.5-2）；优选为（0.8-1.2）；更优选为1:1。进一步地，上述硫化钴/碳复合正极材料的制备方法中，所述第一预设温度为120-200℃；优选为150-180℃；在所述第一预设温度下的保温时间为5-20h，优选为8-15h。进一步地，上述硫化钴/碳复合正极材料的制备方法中，所述第二预设温度为200-900℃；优选为250-500℃；在所述第二预设温度下的热处理时间为1-6h，优选为2-4.5h。本专利技术第一方面提供的硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，通过钴源与烷基取代类咪唑在水溶液中反应，制备得到片状结构的含钴有机金属框架材料；含钴有机金属框架材料中，钴与配体有机分子均匀分布在三维框架内，经过含钴有机金属框架材料与硫源进行硫化处理，可以原位地形成硫化钴在碳骨架中均匀分散的结构，即形成碳包覆硫化钴的硫化钴/碳复合正极材料，该正极材料中，由于碳的包覆，增强了正极材料的结构稳定性，可以缓解硫化钴在充放电过程中的流失，从而改善了正极材料的循环稳定性。第二方面，本专利技术提供了一种铝离子电池正极，包括：硫化钴/碳复合正极材料；硫化钴/碳复合正极材料采用上述的制备方法制备而成。第三方面，本专利技术提供了一种铝离子电池，包括：正极、负极、隔膜和电解液，其中，所述正极为上述的铝离子电池正极。附图说明图1为本专利技术实施例中硫化钴/碳复合正极材料的制备方法的流程图；图2为本专利技术实施例1中硫化钴/碳复合正极材料的XRD图；图3为本专利技术实施例1中制备的硫化钴/碳复合正极材料的SEM图；图4为使用本专利技术实施例1中硫化钴/碳复合正极材料装配的铝离子电池的首次充放电曲线；图5为使用本专利技术实施例1中制备的硫化钴/碳复合正极材料装配的铝离子电池的放电循环图；图6为本专利技术对比例1中采用市售硫化钴装配的铝离子电池的放电循环图。具体实施方式以下所述是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也视为本专利技术的保护范围。参阅图1，本专利技术第一方面提出了一种硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤S1，将钴源与烷基取代类咪唑按照预设比例分别溶于溶剂形成溶液，然后将两种溶液混合、静置沉降后，经离心、洗涤和干燥，得到含钴有机金属框架材料。具体而言，钴源可以为硝酸钴、硫酸钴和氯化钴中的至少一种。烷基取代类咪唑可以为2-甲基咪唑、2-乙基咪唑和1,2-二甲基咪唑中的至少一种；优选为2-甲基咪唑。其中，所述钴源与烷基取代类咪唑的摩尔比为1：（2-20）；优选为1：（5-15）；更优选为1：8。例如钴源与烷基取代类咪唑的摩尔比可以为1：2、1：3、1：4、1：5、1：6、1：7、1：8、1：9、1:10、1:15、1:20等。上述溶剂可以包括甲醇、乙醇和水中的一种或多种，优选为其中一种，进一步优选为水，从而进一步有利于得到的是片状的含钴有机金属框架材料。该步骤中，对沉降后的混合液进行离心时的离心速率可以根据实际情况选择，本实施例对其不做任何限定。对离心后的产物洗涤时，可以选用水洗的方式；对水洗后的产物进行干燥时可以在一定温度下烘干或者常温下自然风干即可。该步骤中，得到的是片状的含钴有机金属框架材料，可以更多地暴露活性组分，有利于提高活性材料的利用率，进而有利于提高材料的电容量。步骤S2，将所述含钴有机金属框架材料和硫源在第一预设温度下保温一段时间，冷却至室温后，经离心、洗涤和干燥，得到碳包覆硫化钴复合材料。具体而言，硫源为硫代乙酰胺、硫脲和升华硫中的至少一种。其中，含钴有机金属框架材料与所述硫源的质量比为1：（0.5-2）；优选为1：（0.8-1.2）；进一步优选为1:1。为使材料充分的硫化，所用硫源相对于钴源摩尔比应以适当过量为宜。具体实施时，将片状含钴有机金属框架材料放入水热反应釜中，并向水热反应釜中加入硫源，旋紧釜盖，设定温度进行反应。反应中，硫源分解释放出硫化氢气体，硫化氢气体与钴生成硫化钴，同时，有机金属框架材料中的有机配体在水热过程中部分碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，将钴源与烷基取代类咪唑按照预设比例分别溶于溶剂形成溶液，然后将两种溶液混合、静置沉降后，经处理得到含钴有机金属框架材料；/n步骤2，将所述含钴有机金属框架材料和硫源在第一预设温度下保温一段时间，冷却至室温后，经处理得到硫化钴/碳复合正极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将钴源与烷基取代类咪唑按照预设比例分别溶于溶剂形成溶液，然后将两种溶液混合、静置沉降后，经处理得到含钴有机金属框架材料；
步骤2，将所述含钴有机金属框架材料和硫源在第一预设温度下保温一段时间，冷却至室温后，经处理得到硫化钴/碳复合正极材料。


2.根据权利要求1所述的硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，其特征在于，还包括步骤3，将所述硫化钴/碳复合正极材料在惰性保护气氛下进行升温至不低于所述第一预设温度的第二预设温度、在所述第二预设温度下热处理一段时间后并对其进行冷却的处理。


3.权利要求2所述的硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述惰性保护气为氮气、氩气、氦气和氖气中的一种或多种，所述溶剂为甲醇、乙醇和水中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的硫化钴/碳复合正极材料的制备方法，其特征在于，所述钴源为硝酸钴、硫酸钴和氯化钴中的至少一种；和/或所述烷基取代类咪唑为2-甲基咪唑、2-乙基咪唑和1,2-二甲基咪唑中的至少一种；和/或所述硫源为硫代乙酰胺、硫脲和升华硫中的至少一种。


5.根据权利要求1至4中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国显，王雅静，王俊明，孟垂舟，
申请(专利权)人：新奥科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13