一种硫碳复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种硫碳复合材料、制备方法及其应用，通过六水合氯化钴和钴氰化钾的沉淀反应形成普鲁士蓝类似物前驱体，经洗涤、干燥后将所得前驱体粉末在惰性气氛下进行高温煅烧处理即可制备得到氮掺杂的碳纳米管。再将酸处理后的氮掺杂的碳纳米管与升华硫进行热熔处理，得到的硫碳复合材料用作锂硫电池的正极材料，用于提升电池的循环性能和倍率性能。用于提升电池的循环性能和倍率性能。用于提升电池的循环性能和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种硫碳复合材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种硫碳复合材料、制备方法及其应用，具体涉及一种用于锂硫电池正极材料的氮掺杂碳纳米管的制备及其在锂硫电池正极材料中的应用，属于新能源


技术介绍

[0002]市面上已有的锂离子电池如磷酸铁锂、钴酸锂、三元锂等已被广泛开发并运用在储能系统和便携式电子设备中。随着社会不断发展，人们对于能源的需求越来越大，市场化主流的锂离子电池均很难满足300 Wh/kg的能量密度要求。目前锂离子电池体系的实际能量密度已接近理论极限，新型电池体系的开发成为必然选择。
[0003]锂硫电池因其超高理论比容量(1675 mAh
·
g
‑1)和能量密度(2615 Wh
·
kg
‑1)而被誉为最有前途的下一代储能系统之一，近年来引起了极大的关注。此外，与其他电池相比，成本低、环境友好和硫的储量丰富等特点也为可持续能源市场带来了额外的利好。但元素硫的绝缘性质、充放电过程中巨大的体积变化以及多硫化物在电解质中溶解所伴随的穿梭效应导致硫利用率和循环性能差等缺点明显，严重阻碍了锂硫电池的在工业上的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种硫碳复合材料、制备方法及其应用，简化制备方法，提高锂硫电池的性能。
[0005]为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：第一方面，本专利技术提供一种硫碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：将摩尔比为3:2的CoCl2·/>6H2O和K3Co(CN)6分别溶解于去离子水中制得两种溶液，将两种溶液混合后搅拌，避光环境中陈化制得沉淀，收集沉淀经洗涤、干燥得到普鲁士蓝类似物前驱体粉末；将普鲁士蓝类似物前驱体粉末在惰性气氛下进行高温煅烧处理，制得高金属含量的氮掺杂碳纳米管；将高金属含量的氮掺杂碳纳米管进行酸洗除杂，再水洗至中性进行真空干燥，随后惰性气氛下进行二次热处理，制得低金属含量的氮掺杂碳纳米管；将低金属含量的氮掺杂碳纳米管与升华硫按照3:1
‑
5:1的质量比混合，惰性气氛下进行热熔处理，制得硫碳复合材料。
[0006]结合第一方面，进一步的，所述两种溶液混合后搅拌至少15分钟，避光环境中陈化至少6小时。
[0007]进一步的，所述高温煅烧处理的升温速率为10
‑
30℃/min，升温至700~1000℃后保温至少2小时，自然冷却至室温后研磨细化得到高金属含量的氮掺杂碳纳米管。
[0008]进一步的，所述低金属含量的氮掺杂碳纳米管与升华硫进行球磨混合，混合后的混合物置于氧化铝瓷舟中，氩气条件下在管式炉中进行热熔处理。
[0009]进一步的，所述热熔处理的升温速率为2℃/min，升温至115℃后保温30min，再以2℃/min，升温至155℃后保温720min，自然冷却至室温后研磨细化得到硫碳复合材料。
[0010]进一步的，所述酸洗除杂使用盐酸除杂，盐酸为2~6 mol/L，盐酸与所述高金属含量的氮掺杂碳纳米管的质量比至少为50:1。
[0011]进一步的，所述二次热处理的升温速率为5~10℃/min，升温至600~800℃后保温至少2小时，自然冷却至室温后研磨细化，制得低金属含量的氮掺杂碳纳米管。
[0012]第二方面，本专利技术提供一种硫碳复合材料，由上述任一项所述的一种硫碳复合材料的制备方法制备得到。
[0013]第三方面，本专利技术提供一种硫碳复合材料的应用，所述硫碳复合材料在锂硫电池中的应用。
[0014]结合第三方面，进一步的，所述硫碳复合材料与粘结剂进行制浆涂覆作为锂硫电池中的正极。
[0015]与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：（1）本专利技术通过六水合氯化钴与钴氰化钾的沉淀反应制备普鲁士蓝类似物前驱体，再进行高温处理得到一种导电性良好的氮掺杂碳纳米管，过程简单快捷，无需还原性气氛进行辅助；（2）本专利技术提供的一种硫碳复合材料的制备方法，将碳纳米管与升华硫热熔复合，用作锂硫电池正极材料，制备过程简单快捷；（3）本专利技术制得的硫碳复合材料有效地固定硫和多硫化锂，克服硫在循环过程中的体积膨胀问题，能够显著提高锂硫电池的导电性。
附图说明
[0016]图1是本专利技术提供的一种氮掺杂碳纳米管的制备及其与升华硫热熔形成硫碳复合材料的流程图；图2是低金属含量的氮掺杂碳纳米管载硫前后的XRD图谱；图3是低金属含量的氮掺杂碳纳米管载硫前扫描电子显微图；图4是低金属含量的氮掺杂碳纳米管载硫后扫描电子显微图；图5是低金属含量的氮掺杂碳纳米管载硫前的高倍透射电镜图；图6是低金属含量的氮掺杂碳纳米管载硫后的高倍透射电镜图；图7是低金属含量的氮掺杂碳纳米管载硫后的STEM EDS
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Mapping图像；图8为NCNTs
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S与CNTs
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S在0.1C倍率下首圈充放电对比图；图9为NCNTs
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S在不同倍率下的充放电曲线图；图10为NCNTs
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S与CNTs
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S不同倍率下放电比容量对比图；图11为 NCNTs
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S与CNTs
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S在0.5C倍率下循环150圈充放电的放电容量对比图。
具体实施方式
[0017]下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。
[0018]实施例1：
如图1所示，为本专利技术提供的一种氮掺杂碳纳米管的制备及其与升华硫热熔形成硫碳复合材料的流程图，本实施例中，将6mmol的CoCl2·
6H2O和4mmol的K3Co(CN)6分别溶解于50ml的去离子水中，随后将两种溶液混合并搅拌15分钟，在避光环境中陈化6小时，所得的粉红色沉淀通过离心收集，再用去离子水多次洗涤离心，60℃真空干燥后得到普鲁士蓝类似物前驱体粉末。
[0019]随后将该前驱体粉末置于氧化铝瓷舟中，氩气条件下在管式炉中进行煅烧处理，升温速率为10
‑
30℃/min，升温至700~1000℃后保温，本实施例的煅烧处理采取的升温速率为30℃/min，900℃后保温2小时，自然冷却至室温后研磨细化得到高金属含量的碳纳米管。
[0020]将高金属含量的碳纳米管用2~6 mol/L盐酸进行酸洗除杂，本实施例选用2M盐酸，盐酸与高金属含量的氮掺杂碳纳米管的质量比至少为50:1，本实施案例选用50：1。水洗离心，经80℃真空干燥后再进行二次热处理后得到低金属含量的氮掺杂碳纳米管。
[0021]其中，二次热处理的升温速率为5~10℃/min，升温至600~800℃后保温至少2小时，本实施例二次热处理的升温速率为10℃/min，升温至600℃后保温2小时，自然冷却至室温后研磨细化，制得低金属含量的氮掺杂碳纳米管。
[0022]将低金属含量的氮掺杂碳纳米管与升华硫按照1:3
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1:5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将摩尔比为3:2的CoCl2·
6H2O和K3Co(CN)6分别溶解于去离子水中制得两种溶液，将两种溶液混合后搅拌，避光环境中陈化制得沉淀，收集沉淀经洗涤、干燥得到普鲁士蓝类似物前驱体粉末；将普鲁士蓝类似物前驱体粉末在惰性气氛下进行高温煅烧处理，制得高金属含量的氮掺杂碳纳米管；将高金属含量的氮掺杂碳纳米管进行酸洗除杂，再水洗至中性进行真空干燥，随后惰性气氛下进行二次热处理，制得低金属含量的氮掺杂碳纳米管；将低金属含量的氮掺杂碳纳米管与升华硫按照1:3
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1:5的质量比混合，惰性气氛下进行热熔处理，制得硫碳复合材料。2. 根据权利要求1所述的一种硫碳复合材料，其特征在于，所述两种溶液混合后搅拌至少15 min，避光环境中陈化至少6小时。3.根据权利要求1所述的一种硫碳复合材料，其特征在于，所述高温煅烧处理的升温速率为10
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30℃/min，升温至700~1000℃后保温至少2小时，自然冷却至室温后研磨细化得到高金属含量的氮掺杂碳纳米管。4.根据权利要求1所述的一种硫碳复合材料，其特征在于，所述低金属含量的氮...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明道，戚彩，宋力，靳亚超，崔岩，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：