一种制备锂硫电池正极材料S/Fe制造技术

一种制备锂硫电池正极材料S/Fe

【技术实现步骤摘要】
一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法
本专利技术涉及一种制备锂硫电池正极材料的方法。
技术介绍
21世纪各国倡导绿色环保，清新节能，新能源将逐渐取代石油、煤炭等旧型污染资源，将成为日后能源需求的中流砥柱。在能源应用中，商业锂离子电池虽然占据半壁江山，但其安全性低、充放电比容量低、循环寿命低等缺点饱受诟病，人们目前迫切的需要开发一种高比容量、高循环寿命及稳定性的电池，锂硫电池以其高理论比容量(1675mAh·g-1)和高理论能量密度(2600Wh·kg-1)被人们寄予厚望。然而，锂硫电池在实际应用中存在S导电性差、体积膨胀及穿梭效应等缺点导致其容量不可逆的衰减，严重影响锂硫电池的循环寿命及循环效率。人们针对以上问题，提出各种解决方案，包括设计制备新型载硫基体材料，优化电解液配方，调节浆料配比，优化制备工艺等手段。近几年，人们发现MXene独特的层状结构能够很好的为S提供活性位点，同时金属氧化物如Ti2O、MnO2、Fe3O4等能有效吸附多硫化物，提高锂硫电池循环寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有方法制备的锂硫电池正极材料循环稳定性差，穿梭效应严重的问题，而提供了一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法。本专利技术的一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法是按照以下步骤进行的：一、MXene前处理取MAX相0.1～0.3gTi3AlC2和一定质量的强碱，加入25～50mL去离子水中搅拌溶解，超声30～40min，将悬浊液倒入水热反应釜中，置于烘箱中高温加热一定时间，冷却至室温后取出，先用去离子水离心洗涤2～3次，再用乙醇离心洗涤2～3次，置于烘箱中60～80℃干燥12～14h，得到前处理产物Ti3C2OH成为MXene；二、制备Fe3O4/MXene基体材料取步骤一得到的Ti3C2OH0.1～0.2g，同时加入2～3mmolFeCl3·6H2O和1～2mmolFeCl2·4H2O溶于250～300mL去离子水中，磁力搅拌30～60min，滴加碱溶液调节溶液pH值至pH＝10，将混合液倒入水热反应釜中，置于烘箱中80～120℃加热3～5h，冷却至室温后取出，先用去离子水离心洗涤2～3次，再用乙醇离心洗涤2～3次，置于烘箱中60～80℃干燥12～14h，得到Fe3O4/MXene基体材料；三、Fe3O4/MXene基体材料热处理将步骤二得到的Fe3O4/MXene基体材料在高温、N2气保护的条件下，热处理3～4h；四、制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene将单质硫与步骤三得到的热处理后的Fe3O4/MXene基体材料按照质量比1：7～3：7，于研钵中研磨1～2h，于150～160℃下熔融扩散12～14h，再升温至290～300℃保温1～2h，冷却至室温后，将正极活性材料S/Fe3O4/MXene与乙炔黑、聚偏氟乙烯按照质量比7：2：1，分散于N-甲基吡咯烷酮溶剂中，搅拌12h，得到均匀的浆料，将得到的浆料用刮涂机均匀地涂布在铝箔上，置于真空干燥箱中60～80℃干燥12～14h，取出切片，即得锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene；五、电池组装电池组装在真空手套箱中氦气气氛保护下完成，按照负极壳，步骤四得到的锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene、Celgard2500隔膜、有机电解液、锂片、正极壳的顺序组装成纽扣电池，取出压实即完成电池组装，用于后续电化学性能测试；其中，步骤二所述的碱溶液为0.8～1mol·L-1的NaOH溶液。本专利技术包含以下有益效果：本专利技术先通过水热法利用碱刻蚀MAX，得到层状MXene材料，再通过引入Fe3+、Fe2+水解得到Fe3O4/MXene基体材料，锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene对锂硫电池穿梭效应抑制效果，增加循环寿命及稳定性，本专利技术一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法所制备的正极材料在锂硫电池中0.2C下循环136圈，首次放电比容量达到783.4mAh·g-1，平均库伦效率达到了98.09％，为得到高性能、高循环寿命及高稳定性的锂硫电池提供了新思路。本专利技术一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法大大降低了生产成本，操作更加安全，工艺简单，后续有望大规模制备。本专利技术以Fe3O4作为金属氧化物掺杂，Fe3O4是一种低成本、化学性能稳定的材料，将其用作S的基体材料，通过大比表面积及丰富的极性位点能够有效通过化学吸附吸附多硫化物，促进多硫化物均匀沉积在基体材料上，从而有效地限制多硫化物溶解在电解液中，进而提高电池性能。本专利技术通过水热法利用碱刻蚀MAX，与传统的强腐蚀酸(HF、LiF+HCl)刻蚀MAX相比，KOH碱刻蚀在大大降低了操作难度的同时保证了安全性，通过一步水热法，控制加热温度及时间得到不同刻蚀程度的MXene，得到的MXene具有层状结构，同时保持了优异的导电性，层结构内的间隙既能保证较高的载硫量，又能将S及多硫化物固定在层内和层表面，提高活性物质的利用率，MXene与Fe3O4二者起协同效应对多硫化物起到物理吸附和化学吸附作用，阻止长链多硫化物的溶解及扩散，从而提高锂硫电池的循环寿命、稳定性及库伦效率。附图说明图1为12000倍率下MXene前处理后的SEM图。图2为5000倍率下Fe3O4/MXeneSEM图。图3为Fe3O4/MXene元素Mapping图。图4为锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene组装的电池的循环伏安曲线。图5为锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene组装的电池0.2C下的容量-电压曲线。图6为S/MAX、S/MXene及锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene组装的电池的阻抗图谱。图7为锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene组装的电池0.2C下的充放电-效率曲线。具体实施方式下面结合最佳的实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围并不仅限于以下实施例。具体实施方式一：本实施方式的一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法是按照以下步骤进行的：一、MXene前处理取MAX相0.1～0.3gTi3AlC2和一定质量的强碱，加入25～50mL去离子水中搅拌溶解，超声30～40min，将悬浊液倒入水热反应釜中，置于烘箱中高温加热一定时间，冷却至室温后取出，先用去离子水离心洗涤2～3次，再用乙醇离心洗涤2～3次，置于烘箱中60～80℃干燥12～14h，得到前处理产物Ti3C2OH成为MXene；二、制备Fe3O4/MXene基体材料取步骤一得到的Ti3C2OH0.1～0.2g，同时加入2～3mmolFeCl3·6H2O和1～2mmolFeCl2·4H2O溶于250～300mL去离子水中，磁力搅拌30～60min，滴加碱溶液调节溶液pH值至pH＝10，将混合液倒入水热反应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备锂硫电池正极材料S/Fe

【技术特征摘要】
1.一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法，其特征在于一种制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene的方法是按照以下步骤进行的：
一、MXene前处理
取MAX相0.1~0.3gTi3AlC2和一定质量的强碱，加入25~50mL去离子水中搅拌溶解，超声30~40min，将悬浊液倒入水热反应釜中，置于烘箱中高温加热一定时间，冷却至室温后取出，先用去离子水离心洗涤2~3次，再用乙醇离心洗涤2~3次，置于烘箱中60~80℃干燥12~14h，得到前处理产物Ti3C2OH成为MXene；
二、制备Fe3O4/MXene基体材料
取步骤一得到的Ti3C2OH0.1~0.2g，同时加入2~3mmolFeCl3·6H2O和1~2mmolFeCl2·4H2O溶于250~300mL去离子水中，磁力搅拌30~60min，滴加碱溶液调节溶液pH值至pH=10，将混合液倒入水热反应釜中，置于烘箱中80~120℃加热3~5h，冷却至室温后取出，先用去离子水离心洗涤2~3次，再用乙醇离心洗涤2~3次，置于烘箱中60~80℃干燥12~14h，得到Fe3O4/MXene基体材料；
三、Fe3O4/MXene基体材料热处理
将步骤二得到的Fe3O4/MXene基体材料在高温、N2气保护的条件下，热处理3~4h；
四、制备锂硫电池正极材料S/Fe3O4/MXene
将单质硫与步骤三得到的热处理后的Fe3O4/MXene基体材料按照质量比1：7~3：7，于研钵中研磨1~2h，于150~160℃下熔融扩散12~14h，再升温至290~300℃保温1~2h，冷却至室温后，将正极活性材料S/Fe3O4/MXene与乙炔黑、聚偏氟乙烯按...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽波，陈晓川，单宇航，崔文俊，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23