一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的制备方法包括：S1：将碳纳米管、甲醇和聚乙烯吡咯烷酮的混合物超声分散，随后加入钴源、锌源，搅拌，制得第一混合液；S2：将2

【技术实现步骤摘要】
一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂硫电池
，尤其是涉及一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着手机、电动汽车等电子设备在日常生活中的应用越来越广泛，储能电池正成为最具发展潜力的新势力。迄今为止，以层状含锂过渡金属氧化物为正极、石墨为负极的锂离子电池(LIBs)是最成功、应用最广泛的储能技术。虽然LIBs的能量密度已经提升到300Wh/kg左右，但层状含锂过渡金属氧化物正极的极限理论容量阻碍了LIBs的进一步发展，无法达到更高的续航能力，不能用于大规模的储能技术，而且本身也具有一定的安全隐患。因此，急需开发新的安全可靠、续航更足的可应用的电池体系。
[0003]锂硫(Li
‑
S)电池因具有高理论能量密度和低成本等优势，成为下一代最具潜力的锂二次电池之一，也成为最有前景替代传统锂离子电池的研究对象。封闭的Li
‑
S系统与LIBs类似，在电池制造方面，使用硫来替代钴、锰、镍等稀有金属，从LIB到Li
‑
S电池的转换更简单有效，在未来商业化生产设备上的改装也更加便捷，从而有利于降低运营成本。锂硫电池具有高的能量密度(2600Wh/kg)和高的理论比容量(1675mAh/g)，同时单质硫对环境友好，在自然界中含量丰富，故而锂硫电池成为最具研究潜力的未来储能电池。然而，以下两个主要问题阻碍了锂硫电池的商业化应用，一是在放电过程中形成多硫化锂的穿梭效应导致容量快速衰减，库仑效率降低；二是S和Li2S放电产物的导电率极低，造成其反应动力学缓慢。
[0004]为此，研究人员做了大量的工作来解决这些问题，包括引入了对多硫化锂具有吸附和/或催化性能的极性无机元素，如过渡金属氧化物、金属硫化物和金属氮化物。虽然它们与多硫化锂之间强烈的化学相互作用，在某些方面极大地提高了锂硫电池的性能，但它们较差的导电性会阻碍其与无机物之间的界面电子转移，限制吸附的多硫化锂的氧化还原转化。在循环过程中，溶解的多硫化锂在正负极两侧的集流体上持续积累，导致溶解吸附的多硫化锂中的Li
+
转移缓慢，氧化还原反应缓慢。由于多硫化锂的氧化还原反应缓慢，导致其随后还原为不溶性放电产物Li2S/Li2S2也受到阻碍，导致容量逐渐损失。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料及其制备方法和应用，该锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料具有高的比表面，能够提供大量的活性位点，催化特性有效地锚定多硫化锂，促进了可溶性多硫化锂的转化，改善了Li2S的沉积动力学并提高硫的利用率。
[0007]本专利技术提供一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步
骤：
[0008]S1：将碳纳米管、甲醇和聚乙烯吡咯烷酮的混合物超声分散，随后加入钴源、锌源，搅拌，制得第一混合液；
[0009]S2：将2
‑
甲基咪唑、甲醇和十六烷基三甲基溴化铵制成第二混合液；
[0010]S3：将第一混合液与第二混合液混合搅拌后室温静置，经洗涤、干燥，制得前驱体；
[0011]S4：将前驱体与硒粉混合后煅烧，制得纳米复合材料；
[0012]S5：将纳米复合材料与单质硫混合、研磨、热处理，制得锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料。
[0013]具体地，步骤S1中，碳纳米管、甲醇、聚乙烯吡咯烷酮、钴源和锌源之间的用量配比为10
‑
70mg：80
‑
120mL：0.08
‑
0.12g：2
‑
4mmol：2
‑
4mmol，优选为50mg：100mL：0.1g：3mmol：3mmol；超声分散时间为40
‑
80min；搅拌时间为10
‑
20min。
[0014]步骤S2中，2
‑
甲基咪唑、甲醇和十六烷基三甲基溴化铵之间的用量配比为45
‑
50mmol：80
‑
120mL：0.7
‑
0.9g，优选为48mmol：100mL：0.8g。
[0015]步骤S3中，搅拌时间为20
‑
40min；室温静置时间为20
‑
28h；干燥温度为70
‑
90℃，干燥时间为10
‑
15h；碳纳米管在前驱体中的占比为2.2
‑
15.5wt％，优选为11.1wt％。
[0016]步骤S4中，前驱体与硒粉的质量比为1：(1.5
‑
3)，优选为1：(2
‑
3)；煅烧时的升温速率为2.5
‑
3.5℃/min，优选为3℃/min；煅烧温度为550
‑
650℃，优选为600℃；煅烧时间为2.5
‑
3.5h，优选为3h。特别是，制得的纳米复合材料(ZnSe/CoSe2‑
CNT)的BET表面积为243
‑
318m2/g；孔体积为0.4
‑
0.9cm3/g；微孔孔容为0.016
‑
0.045cm3/g。
[0017]步骤S5中，纳米复合材料与单质硫的质量比为(2
‑
4)：(6
‑
8)，优选为3：7；研磨时间为20
‑
40min；热处理温度为150
‑
160℃，优选为155℃；热处理时间为10
‑
15h，优选为12h。
[0018]本专利技术的上述制备方法能够形成特定的导电极性材料CNT并引入双金属硒化物中，进而形成电导性和吸附能力强、催化转化速度快的正极材料以保证锂硫电池的电化学稳定性。上述制备方法形成的CNT具有较高的比表面积和优良的导电性，同时具有连续的、互连的结构，有利于电子/离子的快速传输。特别是，高拉伸性和柔性的CNT可以保证复合材料结构的稳定性，进而缓冲阴极的体积膨胀。本专利技术的制备方法将ZnSe/CoSe2结合特定的CNT制备负载硫的基体材料，以双金属有机骨架衍生的多空中空ZnSe/CoSe2为主体，表面由特定的CNT连接多面体形成导电网络结构；其中，特定的CNT为电子传递提供了导电通道，实现了对硫的高利用并防止结构在循环过程中坍塌，而ZnSe/CoSe2则加强了对多硫化锂的化学锚定作用，并为物理吸附和催化转化提供更多的活性位点，促进了多硫化锂在反应中的进一步转化，诱导Li2S均相成核，抑制了穿梭效应，加速了氧化还原反应。
[0019]本专利技术还提供一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料，按照上述制备方法制得。
[0020]本专利技术还提供上述锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料在制备锂硫电池中的应用。
[0021]本专利技术的锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将碳纳米管、甲醇和聚乙烯吡咯烷酮的混合物超声分散，随后加入钴源、锌源，搅拌，制得第一混合液；S2：将2
‑
甲基咪唑、甲醇和十六烷基三甲基溴化铵制成第二混合液；S3：将第一混合液与第二混合液混合搅拌后室温静置，经洗涤、干燥，制得前驱体；S4：将前驱体与硒粉混合后煅烧，制得纳米复合材料；S5：将纳米复合材料与单质硫混合、研磨、热处理，制得锌钴双金属硒化物碳纳米管复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，碳纳米管、甲醇、聚乙烯吡咯烷酮、钴源和锌源之间的用量配比为10
‑
70mg：80
‑
120mL：0.08
‑
0.12g：2
‑
4mmol：2
‑
4mmol。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，超声分散时间为40
‑
80min；搅拌时间为10
‑
20min。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，2
‑
甲基咪唑、甲醇和十六烷基三甲基溴化铵之间的用量配比为45
‑
50mmol：80
‑
120mL：0....

【专利技术属性】
技术研发人员：邹汉波，陈家俊，潘卉楠，冯耀玮，杨伟，陈胜洲，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：