本發(fā)明涉及納米材料合成,特別涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法。
背景技術(shù):
:鋰硫電池是以金屬鋰為負(fù)極,單質(zhì)硫?yàn)檎龢O的電池體系。鋰硫電池的具有兩個(gè)放電平臺(tái)(約為2.4v和2.1v),但其電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理比較復(fù)雜。鋰硫電池具有比能量高(2600wh/kg)、比容量高(1675mah/g)、成本低等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是很有發(fā)展前景的新一代電池。但是目前其存在著活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)壽命低和安全性差等問題,這嚴(yán)重制約著鋰硫電池的發(fā)展。造成上述問題的主要原因有以下幾個(gè)方面:(1)單質(zhì)硫是電子和離子絕緣體,室溫電導(dǎo)率低(5×10-30s·cm-1),由于沒有離子態(tài)的硫存在,因而作為正極材料活化困難;(2)在電極反應(yīng)過程中產(chǎn)生的高聚態(tài)多硫化鋰li2sn(8>n≥4)易溶于電解液中,在正負(fù)極之間形成濃度差,在濃度梯度的作用下遷移到負(fù)極,高聚態(tài)多硫化鋰被金屬鋰還原成低聚態(tài)多硫化鋰。隨著以上反應(yīng)的進(jìn)行,低聚態(tài)多硫化鋰在負(fù)極聚集,最終在兩電極之間形成濃度差,又遷移到正極被氧化成高聚態(tài)多硫化鋰。這種現(xiàn)象被稱為飛梭效應(yīng),降低了硫活性物質(zhì)的利用率。同時(shí)不溶性的li2s和li2s2沉積在鋰負(fù)極表面,更進(jìn)一步惡化了鋰硫電池的性能;(3)反應(yīng)最終產(chǎn)物li2s同樣是電子絕緣體,會(huì)沉積在硫電極上,而鋰離子在固態(tài)硫化鋰中遷移速度慢,使電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)速度變慢;(4)硫和最終產(chǎn)物li2s的密度不同,當(dāng)硫被鋰化后體積膨脹大約79%,易導(dǎo)致li2s的粉化,引起鋰硫電池的安全問題。上述不足制約著鋰硫電池的發(fā)展,這也是目前鋰硫電池研究需要解決的重點(diǎn)問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料,該復(fù)合材料材料由硫、片狀ti3c2tx和外層包覆的聚蒽醌硫醚組成,聚蒽醌硫醚的包覆在外層限制硫基材料自由移動(dòng),片狀ti3c2tx鈦能夠吸附放電產(chǎn)物多硫化物的溶解,提高材料的電化學(xué)性能。本發(fā)明提供一種聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料,該復(fù)合材料由硫、片狀ti3c2tx和聚蒽醌硫醚組成,內(nèi)層為硫和ti3c2tx復(fù)合材料,外層為包覆硫和ti3c2tx復(fù)合材料的聚蒽醌硫醚,其聚蒽醌硫醚:ti3c2tx:硫的質(zhì)量比為0.05-0.2:0.05-0.2:1。本發(fā)明提供一種聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料的制備方法如下:(1)將ti3alc2陶瓷粉末放入氫氟酸中腐蝕,腐蝕后溶液加入去離子水進(jìn)行離心處理,然后將沉淀物烘干,得到堆垛的層片狀ti3c2tx粉體;(2)將ti3c2tx粉體與單質(zhì)硫按比例1:1均勻混合,放置于密封的反應(yīng)釜中,在氮?dú)獾臍夥罩屑訜岱磻?yīng)至155°c,恒溫5-12h,反應(yīng)完成后冷卻至室溫,得到ti3c2tx/硫復(fù)合材料;(3)將得到的ti3c2tx/硫復(fù)合材料加入n-甲基吡咯烷酮中攪拌,再加入1,5-二氯蒽醌攪拌,然后加入引發(fā)劑過硫酸銨,攪拌、靜置、過濾、真空烘干,獲得聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料。步驟(1)中氫氟酸的濃度為20%-50%,腐蝕的時(shí)間為4-24小時(shí);步驟(2)中ti3c2tx粉體與單質(zhì)硫的質(zhì)量比為0.05-0.2:1,加熱反應(yīng)溫度為155-165℃,時(shí)間為5-12小時(shí);步驟(3)中1,5-二氯蒽醌與單質(zhì)硫的比例為0.05-0.2:1;引發(fā)劑與1,5-二氯蒽醌的比例為1:0.01-0.1,引發(fā)劑選用偶氮二異丁腈、過氧化二苯甲酰、過硫酸銨中的一種;本發(fā)明具有如下有益效果:聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料中的ti3c2tx上的t為-f基團(tuán)或-oh基團(tuán),為強(qiáng)極性基團(tuán),能對(duì)充放電過程中形成的多硫化物形成強(qiáng)烈的化學(xué)吸附,能有效的阻止多硫化物穿過隔膜到達(dá)負(fù)極;同時(shí)復(fù)合材料中包覆層聚蒽醌硫醚能對(duì)硫基材料進(jìn)行物理保護(hù),限制充放電過程產(chǎn)生的多硫化物在聚蒽醌硫醚內(nèi)部,從而降低穿梭效應(yīng);該復(fù)合材料從物理限域和化學(xué)吸附兩個(gè)方面同時(shí)限制多硫化物的移動(dòng),有效的提高鋰硫電池的壽命。附圖說明圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。圖2是本發(fā)明復(fù)合材料的充放電性能圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖,對(duì)本發(fā)明的較優(yōu)的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:實(shí)施例1(1)將ti3alc2陶瓷粉末放入質(zhì)量濃度為20%的氫氟酸中腐蝕24h,腐蝕后溶液加入去離子水進(jìn)行離心處理,然后將沉淀物烘干,得到堆垛的層片狀ti3c2tx粉體;(2)將0.5gti3c2tx粉體與10g單質(zhì)硫均勻混合,放置于密封的反應(yīng)釜中,在氮?dú)獾臍夥罩屑訜岱磻?yīng)至155°c,恒溫12h,反應(yīng)完成后冷卻至室溫,得到ti3c2tx/硫復(fù)合材料;(3)將得到的ti3c2tx/硫復(fù)合材料加入n-甲基吡咯烷酮中攪拌,再加入0.5g1,5-二氯蒽醌攪拌,然后加入0.05g引發(fā)劑偶氮二異丁腈,攪拌、靜置、過濾、真空烘干,獲得聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料。實(shí)施例2(1)將ti3alc2陶瓷粉末放入質(zhì)量濃度為50%的氫氟酸中腐蝕4h,腐蝕后溶液加入去離子水進(jìn)行離心處理,然后將沉淀物烘干,得到堆垛的層片狀ti3c2tx粉體;(2)將2gti3c2tx粉體與10g單質(zhì)硫均勻混合,放置于密封的反應(yīng)釜中,在氮?dú)獾臍夥罩屑訜岱磻?yīng)至165°c,恒溫5h,反應(yīng)完成后冷卻至室溫,得到ti3c2tx/硫復(fù)合材料;(3)將得到的ti3c2tx/硫復(fù)合材料加入n-甲基吡咯烷酮中攪拌,再加入2g1,5-二氯蒽醌攪拌,然后加入0.02g引發(fā)劑過氧化二苯甲酰,攪拌、靜置、過濾、真空烘干,獲得聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料。實(shí)施例3(1)將ti3alc2陶瓷粉末放入質(zhì)量濃度為30%的氫氟酸中腐蝕20h,腐蝕后溶液加入去離子水進(jìn)行離心處理,然后將沉淀物烘干,得到堆垛的層片狀ti3c2tx粉體;(2)將1gti3c2tx粉體與10g單質(zhì)硫均勻混合,放置于密封的反應(yīng)釜中,在氮?dú)獾臍夥罩屑訜岱磻?yīng)至160°c,恒溫10h,反應(yīng)完成后冷卻至室溫,得到ti3c2tx/硫復(fù)合材料;(3)將得到的ti3c2tx/硫復(fù)合材料加入n-甲基吡咯烷酮中攪拌,再加入1g1,5-二氯蒽醌攪拌,然后加入0.05g引發(fā)劑過硫酸銨,攪拌、靜置、過濾、真空烘干,獲得聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料。實(shí)施例4(1)將ti3alc2陶瓷粉末放入質(zhì)量濃度為40%的氫氟酸中腐蝕15h,腐蝕后溶液加入去離子水進(jìn)行離心處理,然后將沉淀物烘干,得到堆垛的層片狀ti3c2tx粉體;(2)將1.5gti3c2tx粉體與10g單質(zhì)硫均勻混合,放置于密封的反應(yīng)釜中,在氮?dú)獾臍夥罩屑訜岱磻?yīng)至162°c,恒溫8h,反應(yīng)完成后冷卻至室溫,得到ti3c2tx/硫復(fù)合材料;(3)將得到的ti3c2tx/硫復(fù)合材料加入n-甲基吡咯烷酮中攪拌,再加入1.5g1,5-二氯蒽醌攪拌,然后加入0.08g引發(fā)劑偶氮二異丁腈,攪拌、靜置、過濾、真空烘干,獲得聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料。實(shí)施例5(1)將ti3alc2陶瓷粉末放入質(zhì)量濃度為35%的氫氟酸中腐蝕13h,腐蝕后溶液加入去離子水進(jìn)行離心處理,然后將沉淀物烘干,得到堆垛的層片狀ti3c2tx粉體;(2)將0.8gti3c2tx粉體與10g單質(zhì)硫均勻混合,放置于密封的反應(yīng)釜中,在氮?dú)獾臍夥罩屑訜岱磻?yīng)至157°c,恒溫9h,反應(yīng)完成后冷卻至室溫,得到ti3c2tx/硫復(fù)合材料;(3)將得到的ti3c2tx/硫復(fù)合材料加入n-甲基吡咯烷酮中攪拌,再加入0.8g1,5-二氯蒽醌攪拌,然后加入0.03g引發(fā)劑過氧化二苯甲酰,攪拌、靜置、過濾、真空烘干,獲得聚蒽醌硫醚/ti3c2tx/硫復(fù)合材料。電極的制備及性能測(cè)試;將復(fù)合材料、乙炔黑和pvdf按質(zhì)量比80:10:10在nmp中混合,涂覆在鋁箔上為電極膜,金屬鋰片為對(duì)電極,celgard2400為隔膜,1mol/l的litfsi/dol-dme(體積比1:1)為電解液,1mol/l的lino3為添加劑,在充滿ar手套箱內(nèi)組裝成扣式電池,采用land電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行恒流充放電測(cè)試。充放電電壓范圍為1-3v,電流密度為0.2c,性能如表1所示。表1實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3實(shí)施例4實(shí)施例5首次放電比容量(mah/g)10531047105510381046圖2是本發(fā)明實(shí)施例1復(fù)合材料制備成鋰硫電池的充放電性能圖。從圖中可以看出充放電效率可以達(dá)到98%以上,首次充放電容量為1052mah/g,充放電效率為98.1%,500次充放電循環(huán)后,容量仍然保有65%,說明該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)能有效抑制飛梭效應(yīng),提高硫電池的壽命。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明,不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域:
的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下,還可以做出若干簡單推演或替換,都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12