一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法，它涉及一种制备锂硫电池正极材料的方法。本发明专利技术要解决现有方法制备锂硫电池正极材料导电性差、活性物质利用率低以及多硫化物溶解导致的穿梭效应等问题。本发明专利技术的方法如下：一、超薄碳片的制备；二、掺杂花状ZnO超薄碳片的制备；三、掺杂ZnO/CuO超薄碳片的制备；四、掺杂ZnO/CuO超薄碳片载硫正极材料的制备；五、正极的制备及电池组装。本发明专利技术的方法制备的掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料有利于多硫化物的快速转化，同时减缓穿梭效应，制备成本低，操作简便安全，适用于商业化应用。本发明专利技术应用于锂硫电池领域。本发明专利技术应用于锂硫电池领域。本发明专利技术应用于锂硫电池领域。
【技术实现步骤摘要】
一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法
[0001]本专利技术属于锂硫电池领域，尤其涉及一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法。
技术介绍
[0002]锂硫电池因其高能量密度和低材料成本而受到电池界的广泛关注。单质硫作为一种储量丰富且容易获得的材料，能够与锂发生多电子反应，提供1672mAh g
‑1的高理论容量，被认为是最具潜力的二次电池系统之一。锂硫电池有望在高能量密度需求领域实现广泛的应用，例如便携式电子通信、储能设备。然而，锂硫电池实现商业化发展仍然受到其固有缺陷的阻碍，如单质硫的导电性能差和严重的穿梭效应。因此，致力于解决锂硫电池正极材料导电性差、活性物质利用率低、反应动力学慢及多硫化物溶解导致的穿梭效应等问题是目前的研究热点。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是为了解决锂硫电池中硫的绝缘性差、循环性能差以及存在穿梭效应的问题，而提供一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法。
[0004]本专利技术的一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法是按照以下步骤进行的：一、超薄碳片的制备以柠檬酸钠为碳源，称取柠檬酸钠，球磨30～120min后烘干，转移至管式炉中，在氮气保护下碳化1～3h，样品取出放入盐酸中浸泡12～18h后，分别用乙醇和蒸馏水洗涤，离心干燥，得到超薄碳片；二、掺杂花状ZnO超薄碳片的制备将质量比为1：1～3：1的醋酸锌和超薄碳片混合物，加入去离子水搅拌30～40min后，加入水合肼搅拌均匀并转移至高压反应釜中，在120～140℃反应12～18h，使用乙醇和N，N
‑
二甲基甲酰胺混合溶液离心洗涤反应物，然后烘干，得到褐色粉末，即为掺杂花状ZnO超薄碳片；其中，醋酸锌和超薄碳片的混合物与去离子水的质量体积比为1g：30～50mL；醋酸锌和超薄碳片的混合物与水合肼的质量体积比为1g：1～3mL；三、掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片的制备将醋酸铜和掺杂花状ZnO超薄碳片，加入到N，N
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二甲基甲酰胺溶液中加热搅拌3～5h后，静置6～10h，倒出上层清液，用乙醇和蒸馏水交替离心洗涤，烘干后，得到掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片；其中，所述的醋酸铜与掺杂花状ZnO超薄碳片的质量比为0.25～0.5：0.5～1.0；四、掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片载硫正极材料的制备将步骤三得到的掺杂ZnO/CuO超薄碳片与单质硫按照质量比1：4～1：6的比例混合后球磨1～3h，在155～170℃熔融扩散3～5h，
随炉冷却至室温，即完成掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片载硫正极材料的制备；进一步地，步骤一中所述的烘干时间为12～18h。盐酸浓度为20～40％，管式炉炭化温度为600～800℃得到石墨化程度高的超薄碳片，超薄碳片厚度＜10nm。洗涤离心至中性，洗涤步骤为：依次用无水乙醇清洗离心1～2次、蒸馏水清洗离心5～10次，然后烘干。球磨时间过短会导致碳片变厚，时间过长会破坏碳片结构。
[0005]进一步地，步骤二中所述的醋酸锌和超薄碳片的混合物与水合肼的质量体积比为1g：1～3mL；利用水合肼的强还原性，合成出花状结构ZnO，花状ZnO具有高的比表面积，有利于CuO的负载，为单质硫提供良好的反应位点；进一步地，步骤三中所述的醋酸铜与掺杂花状ZnO超薄碳片的质量比为0.25～0.5：0.5～1.0，经溶剂热处理获得掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片，CuO含量过高时导致负载不均匀，材料的催化性能衰减，而CuO含量过低导致ZnO/CuO异质结位点减少，影响材料的催化性能；进一步地，步骤四中的掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片为载硫基体；相比之下ZnO具有很宽的带隙，CuO具有窄带隙，因此，ZnO/CuO的异质界面会产生强大的内建电场，实现了多硫化物优异催化性能和高效吸附的协同作用，减少了多硫化物的不良溶解，加速了氧化还原反应。超薄碳片增强电极材料导电性，加速电荷转移；为简洁起见，将超薄碳片、掺杂花状ZnO超薄碳片、掺杂CuO/ZnO超薄碳片材料分别命名为UC、UC/ZnO和UC/ZnO/CuO，硫负载后的材料分别命名为S@UC、S@UC/ZnO和S@UC/ZnO/CuO；本专利技术的增益效果：首先，以柠檬酸钠为原料在管式炉中退火得到的具有超薄结构的导电碳，该材料有效提高单质硫的导电性。
[0006]其次，ZnO/CuO异质界面耦合作用，不同的带隙可以加速界面反应动力学并加速电荷载流子传输。ZnO与CuO具有不同的带隙，建立内建电场具有电催化效果，抑制穿梭效应，加快多硫化物的转化吸附，延长了循环使用寿命。ZnO/CuO异质结与超薄碳片联合配伍，均匀分布电流密度，快速转移正电荷和电子，催化多硫化锂快速转化为硫化锂提高电池循环性能，并抑制枝晶锂的产生。
[0007]最后，本专利技术制备工艺过程简便，成本低，适合大规模生产和商业化生产。
[0008]附图说明
[0009]为了更清楚地说明本专利技术实施例的改性结果，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍。
[0010]图1为一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法UC/ZnO/CuO复合材料的制备流程图；图2为(a)超薄碳片的SEM图；(b)超薄碳片TEM图；图3为UC/ZnO/CuO的SEM图；图4为ZnO/CuO的TEM图；图5为ZnO/CuO的晶格条纹图；
图6为ZnO/CuO,UC/ZnO/CuO，UC/ZnO，UC材料的XRD以及UC/ZnO/CuO，UC/ZnO材料的XPS图；图(a)ZnO/CuO，UC/ZnO/CuO，UC/ZnO和UC的XRD图；(b)ZnO/CuO和UC/ZnO/CuO材料的XPS全谱图；(c)UC/ZnO/CuO中O元素XPS；(d)UC/ZnO/CuO中Cu元素XPS；(e)UC/ZnO/CuO中Zn元素XPS；(f)UC/ZnO/CuO中C元素XPS；图7为UC，UC/ZnO，UC/ZnO/CuO锂硫电池正极材料的放电曲线图；图8为UC/ZnO/CuO锂硫电池正极材料的长循环充放电曲线图；图9为UC/ZnO/CuO锂硫电池正极材料的机理图；图10为Li2S6、ZnO、CuO优化后的模型吸附图；图11为ZnO、CuO能带计算图。图12为实施例1超薄碳片的TEM图和比容量效率图
具体实施方式
[0011]以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但本专利技术的主题不仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。
[0012]实验药品实验设备
对比例1本对比例的一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极的制备方法是按照以下步骤进行的：一、超薄碳片的制备以柠檬酸钠为碳源，称取5g柠檬酸钠，球磨30min后烘干，转移至管式炉中，在氮气保护下600℃碳化1h，样品取出放入20％盐酸中浸泡16h后，分别用乙醇和蒸馏水洗涤，离心干燥，得到超薄碳片；二、掺杂花状ZnO超薄碳片的制备将质量比为1：本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极的制备方法是按照以下步骤进行的：一、超薄碳片的制备以柠檬酸钠为碳源，称取柠檬酸钠，球磨30~120 min后烘干，转移至管式炉中，在氮气保护下碳化1~3 h，样品取出放入盐酸中浸泡12~18 h后，分别用乙醇和蒸馏水洗涤，离心干燥，得到超薄碳片；二、掺杂花状ZnO超薄碳片的制备将质量比为1：1~3：1的醋酸锌和超薄碳片混合物，加入去离子水搅拌30~40 min后，加入水合肼搅拌均匀并转移至高压反应釜中，在120~140 ℃反应12~18 h，使用乙醇和N，N
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二甲基甲酰胺混合溶液离心洗涤反应物，然后烘干，得到褐色粉末，即为掺杂花状ZnO超薄碳片；其中，醋酸锌和超薄碳片的混合物与去离子水的质量体积比为1g：30~50 mL；醋酸锌和超薄碳片的混合物与水合肼的质量体积比为1g：1~3mL；三、掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片的制备将醋酸铜和掺杂花状ZnO超薄碳片，加入到N，N
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二甲基甲酰胺溶液中加热搅拌3~5 h后，静置6~10 h，倒出上层清液，用乙醇和蒸馏水交替离心洗涤，烘干后，得到掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片；其中，所述的醋酸铜与掺杂花状ZnO超薄碳片的质量比为0.25~0.5：0.5~1.0；四、掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片载硫正极材料的制备将步骤三得到的掺杂ZnO/CuO超薄碳片与单质硫按照质量比1：4~1：6的比例混合后球磨1~3 h，在155~170 ℃熔融扩散3~5 h，随炉冷却至室温，即完成掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片载硫正极材料的制备。2.根据权利要求1所述的一种掺杂ZnO/CuO异质结超薄碳片锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于步骤一中的盐酸浓度为20~40 %。3.根据权利要求1所...
【专利技术属性】
技术研发人员：李丽波，杨杭，单宇航，赵杨明悦，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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