一种凝胶态固硫正极的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种凝胶态固硫正极的制备方法及其应用，所述凝胶态固硫正极材料是由二维附着材料MXene和海藻酸钠制备的气凝胶前体材料与硫混合后烧结获得；调整二维附着材料的悬浮液浓度和与海藻酸钠粉末的质量比，可获得的形貌可控的气凝胶前体材料；其中形貌为结构杂乱、孔隙不规则、孔隙直径为3

【技术实现步骤摘要】
一种凝胶态固硫正极的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及电池材料
，具体涉及一种凝胶态固硫正极的制备方法及其应用。
技术背景
[0002]含硫电池（包括镁硫电池、锂硫电池、钠硫电池、钾硫电池等）具有理论能量密度高、成本低、无环境污染等优点，是很有前途的下一代储能系统。然而，含硫电池仍存在许多不足。首先，硫是一种电导率非常低的绝缘体，仅为5
×
10
‑
28 S m
‑1，这限制了硫的利用率并降低电池的倍率能力。其次，硫在电池循环过程中的体积变化可能会破坏正极结构并降低电池的循环性能。第三，多硫化物溶解和扩散引起的“穿梭效应”降低了比容量和库仑效率。这些问题极大程度上制约了含硫电池的研究进展。
[0003]现有技术通过构造纳米结构的多孔材料来解决上述问题，MXenes作为一大类新型二维过渡金属碳化物/碳氮化物材料，由于其优良的性能，延展性、2D结构和Lewis酸性表面，高电导率、良好的电化学性能，在改善电池性能上显示出巨大的潜力，是构建高效导电网络的理想组成材料。通过泛密度函计算结果显示，MXenes表面的基团(特别是羟基)对多硫化物有很强的亲和力，不需要额外的表面修饰就能自发地吸引它们。此外，高导电性的核心(M
‑
C
‑
M键)可以极大地促进电荷转移动力学，从而使得硫的利用率和电池速率处理能力得到极大的提高。
[0004]然而，由于MXenes基自立结构柔性低，相对脆弱，在弯曲和折叠过程中，S可能会剥落，导致利用率下降。在成型前简单地混合分散MXenes会导致不可逆堆叠，减少纳米片活性位点的同时极大地降低柔性。
[0005]因此，由MXenes材料为基础制备固硫正极材料，还处于理论上很好，但实践细节还有待深入研究和完善的阶段。只有实现固硫正极材料形貌可控时，才能确保由这种固硫正极制备的含硫电池安全可靠。因此，探讨固硫正极材料的制备过程中实现形貌可控的方法，对含硫电池的发展具有重要的意义。

技术实现思路

[0006]为了解决以上问题，本专利技术提出一种凝胶态固硫正极材料的制备方法。
[0007]本专利技术公开一种凝胶态固硫正极材料的制备方法，所述凝胶态固硫正极材料是由二维附着材料MXene和海藻酸钠制备的气凝胶前体材料与硫混合后烧结获得；包括如下步骤：步骤1）: 将MAXene原材料经过平均孔径为38μm的400目筛分，然后逐步加入蚀刻液中，在35
°
C下搅拌反应24h，所得浆液用去离子水洗涤，3500rpm离心5min，反复洗涤离心至pH为6，最后在氩气流量下超声剥离，再用3500rpm离心60min，得到含水的单少层MXene悬浮液；步骤2）：在步骤1）所得单少层MXene悬浮液中加入海藻酸钠溶液，500rpm下搅拌
5h，得到均匀粘稠的悬浮液；步骤3）：将步骤2）获得的均匀粘稠的悬浮液倒入特氟龙模具中，并迅速浸泡在含有液氮的铜瓶中，实现急速冷冻，然后置于
−
60℃、1Pa下冷冻干燥72h，得到气凝胶前体材料；步骤4）：将步骤3）获得的气凝胶前体材料与硫按3：7的比例进行研磨混合，然后置于管式炉中氩气气氛下155℃烧结12h，获得含硫正极材料；取出后，以重量比为含硫正极材料:碳=10:2的比例加入导电碳，研磨混合后，再一次置于管式炉中氩气气氛下155℃烧结12h，获得含硫碳正极材料；步骤5：将步骤4）获得的含硫碳正极材料和聚偏二氟乙烯按重量比10：1研磨制成所述凝胶态固硫正极材料；其中，当所述单少层MXene为Ti3C2T
x
时，步骤2）调整单少层Ti3C2T
x
悬浮液浓度为5
‑
10w
‰
，按Ti3C2T
x
悬浮液中Ti3C2T
x
材料和海藻酸钠溶液中海藻酸钠材料的质量比5
‑
10:1的比例添加海藻酸钠溶液，所述海藻酸钠溶液的浓度为5
‑
10w
‰
，反应获得的气凝胶前体材料形貌为结构杂乱、孔隙不规则、孔隙直径为3
‑
20μm；当所述单少层MXene为Ti3C2T
x
，步骤2）调整单少层Ti3C2T
x
悬浮液浓度为5
‑
10w
‰
，按Ti3C2T
x
悬浮液中Ti3C2T
x
材料和海藻酸钠溶液中海藻酸钠材料的质量比1
‑
2:2
‑
1的比例添加海藻酸钠溶液，所述海藻酸钠溶液的浓度为5
‑
10w
‰
，反应获得的气凝胶前体材料形貌为结构有序、孔隙规则、孔隙直径为4
‑
6μm；当所述单少层MXene为Ti3C2T
x
，步骤2）调整单少层Ti3C2T
x
悬浮液浓度为10
‑
20w
‰
，按Ti3C2T
x
悬浮液中Ti3C2T
x
材料和海藻酸钠溶液中海藻酸钠材料的质量比1: 1的比例添加海藻酸钠溶液，所述海藻酸钠溶液的浓度为10
‑
20w
‰
，反应获得的气凝胶前体材料形貌为蜂窝状、结构有序、孔隙规则、孔隙直径为1
‑
3μm；当所述单少层MXene为Nb4C3T
x
，步骤2）调整单少层Nb4C3T
x
悬浮液浓度为10w
‰
，按Nb4C3T
x
悬浮液中Nb4C3T
x
材料和海藻酸钠溶液中海藻酸钠材料的质量比1:1的比例添加海藻酸钠溶液，所述海藻酸钠溶液的浓度为10w
‰
，获得的气凝胶前体材料形貌为结构有序、孔隙规则、孔隙直径为3
‑
4μm。
[0008]优选地，所述单少层MXene悬浮液的浓度与海藻酸钠浓度一致。
[0009]本专利技术所述方法制备的凝胶态固硫正极材料应用于含硫电池中，其中，形貌为结构杂乱、孔隙不规则、孔隙直径为3
‑
20μm的气凝胶前体材料制备的凝胶态固硫正极材料应用于镁硫电池；形貌为结构有序、孔隙规则、孔隙直径为4
‑
6μm的气凝胶前体材料制备的凝胶态固硫正极材料应用于钾硫电池；形貌为蜂窝状、结构有序、孔隙规则、孔隙直径为1
‑
3μm的气凝胶前体材料制备的凝胶态固硫正极材料应用于锂硫电池；形貌为结构有序、孔隙规则、孔隙直径为3
‑
4μm的气凝胶前体材料制备的凝胶态固硫正极材料应用于钠硫电池。
[0010]本专利技术的有益效果如下：专利技术提供的气凝胶前体材料形貌可控，根据不同的形貌应用于不同的含硫电池
中，能够改善活性硫成分的弱导电性，改善离子（锂离子，钠离子等）的快速扩散和电子转移以及多硫化物的“穿梭效应”问题，实现含硫电池较高的电化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种凝胶态固硫正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1）: 将MAXene原材料经过平均孔径为38μm的400目筛分，然后逐步加入蚀刻液中，在35
°
C下搅拌反应24h，所得浆液用去离子水洗涤，3500rpm离心5min，反复洗涤离心至pH为6，最后在氩气流量下超声剥离，再用3500rpm离心60min，得到含水的单少层MXene悬浮液；步骤2）：在步骤1）所得单少层MXene悬浮液中加入海藻酸钠溶液，500rpm下搅拌5h，得到均匀粘稠的悬浮液；步骤3）：将步骤2）获得的均匀粘稠的悬浮液倒入特氟龙模具中，并迅速浸泡在含有液氮的铜瓶中，实现急速冷冻，然后置于
−
60℃、1Pa下冷冻干燥72h，得到气凝胶前体材料；步骤4）：将步骤3）获得的气凝胶前体材料与硫按3：7的比例进行研磨混合，然后置于管式炉中氩气气氛下155℃烧结12h，获得含硫正极材料；取出后，以重量比为含硫正极材料:碳=10:2的比例加入导电碳，研磨混合后，再一次置于管式炉中氩气气氛下155℃烧结12h，获得含硫碳正极材料；步骤5：将步骤4）获得的含硫碳正极材料和聚偏二氟乙烯按重量比10：1研磨制成所述凝胶态固硫正极材料；其中，当所述单少层MXene为Ti3C2T
x
时，步骤2）调整单少层Ti3C2T
x
悬浮液浓度为5
‑
10w
‰
，按Ti3C2T
x
悬浮液中Ti3C2T
x
材料和海藻酸钠溶液中海藻酸钠材料的质量比5
‑
10:1的比例添加海藻酸钠溶液，所述海藻酸钠溶液的浓度为5
‑
10w
‰
，反应获得的气凝胶前体材料形貌为结构杂乱、孔隙不规则、孔隙直径为3
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20μm；当所述单少层MXene为Ti3C2T
x
，步骤2）调整单少层Ti3C2T
x
悬浮液浓度为5
‑
10w
‰
，按Ti3C2T
x
悬浮液中Ti3C2T
x
材料和海藻酸钠溶液中海藻酸钠材料的质量比1
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2:2
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【专利技术属性】
技术研发人员：李雪，杨文豪，张义永，张英杰，赵金保，董鹏，曾晓苑，韦克毅，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：