CN108269978A - 量子点/碳管载硫复合正极材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了量子点/碳管载硫复合正极材料及其制备方法与应用，其技术方案包括制备方法为：将碳管与硫单质混合研磨，加入CS2充分搅拌之后烘干制得碳管载硫复合材料；将其与炭黑、聚偏氟乙烯按一定质量比混合，然后加入N‑甲基吡咯烷酮，以及硒（或硫）化物量子点搅拌并超声分散均匀，控制粘度在1000~10000cps，得到浆料，将所得浆料以150~400mm的厚度涂覆在集流体铝箔上，然后烘干，得硒（或硫）化物量子点与碳管载硫复合正极材料；本发明提供的硒（或硫）化物量子点碳管复合正极材料的制备方法，操作简单，易于大规模生产；制得的复合正极材料用于锂硫电池中，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。

Description

量子点/碳管载硫复合正极材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于纳米复合材料研究领域，特别涉及一种用于锂硫电池改善其电化学性能以及抑制多硫化物穿梭效应等方面的硒（或硫）化物量子点/碳管复合正极材料的制备方法。
背景技术
随着经济高速发展和能源消耗量的与日俱增，化石燃料储量的日趋枯竭以及燃烧造成的环境污染，使得人们对新型替代能源的需求越来越紧迫。新能源，特别是化学能源具有清洁环保和安全高效等特点，符合人类可持续发展战略的要求而倍受青睐。储能作为许多创新技术的关键，电池技术在电动汽车等新兴概念的推动下取得了巨大进步，各种机制的电池得到开发，但是锂硫电池却是下一代储能技术中最具有潜力的。因为锂离子电池自1991年商业化以来，经过20多年的发展，传统锂离子电池的正负极材料的性能均已接近其理论极限，但面对越来越庞大的储能***仍不尽人意。而锂硫电池却具有很多优势，它的理论比容量为1675 mAh·g-1，是传统锂离子电池的10倍，并且硫的储量丰富，价格低廉，低毒无公害。然而，锂硫电池在充放电过程中形成的多硫化锂易溶于液态电解液中造成穿梭效应以及充放电过程中的体积膨胀和金属锂的腐蚀等问题造成了锂硫电池活性物质利用率低、库伦效率低、循环性能差，成为了锂硫电池在商业应用过程中的阻碍。
为了解决这些问题，实现其大规模的使用，必须研究开发简便且成本低廉的制备方法来提高锂硫电池的电化学性能，从而提升锂硫电池的实际应用前景。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种量子点/碳管复合正极材料的制备方法，该方法操作简单，条件温和，易于大规模生产。
本发明的第二个目的是提供一种量子点/碳管复合正极材料。
本发明的第三个目的是提供一种量子点/碳管复合正极材料在锂硫电池中的应用，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种量子点/碳管载硫复合正极材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）碳管载硫复合材料的制备：
将碳管与单质硫按1:1-2混合，研磨均匀后加入3-6mLCS2料液中搅拌，然后置于室温下至CS2挥发完全后，剩余物质于120~160℃烘箱中保温8~12h，之后冷却至室温，即得碳管载硫复合材料；
（2）量子点/碳管载硫复合正极材料的制备：
将步骤（1）所得碳管载硫复合材料与导电添加剂、粘结剂按3-8:1:1混合，然后加入2-5mL N-甲基吡咯烷酮、以及硒或硫化物量子点试剂1-20mg搅拌并超声分散均匀，硒或硫化物量子点试剂的添加量与碳管载硫复合材料的质量比为1:20-200，控制粘度在1000~10000cps，得到浆料，将所得浆料用刮刀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40~60℃烘箱内烘干，即得硒或硫化物量子点与碳管载硫复合正极材料。
进一步设置为，所述的集流体铝箔的厚度为30um，在使用前用N-甲基吡咯烷酮和酒精清洗，以除去表面氧化层和杂质，自然风干。
进一步设置为，所述的导电添加剂为炭黑，粘结剂为聚偏氟乙烯。
进一步设置为，步骤（2）中，所述的硒或硫化物量子点试剂为对多硫化物具有吸附能力的试剂。
实现本发明的第二个目的和第三目的，本发明提供了基于上述方法所制备的量子点/碳管载硫复合正极材料，同时本发明还提供了将该量子点/碳管载硫复合正极材料作为锂硫电池的正极电极的应用。
本发明的有益效果在于：
（1）采用硒（或硫）化物量子点作为多硫化物的吸附剂吸附能力较强；
（2）制备的硒（或硫）化物量子点与碳管载硫复合正极材料，能够额外提供电子/离子传导途径，降低电池内阻，很大程度上提高了电池的放电容量和循环稳定性能；
（3）含硒（或硫）化物量子点的复合正极材料能够增强与多硫化物的反应活性加快化学反应动力学，从而抑制穿梭效应，提高锂硫电池性能；
（4）载体多孔碳提供了储硫空间，并且能够限制多硫化物、硫化锂的扩散和输运；
综上所述，一方面，本发明提供了硒（或硫）化物量子点碳管载硫复合正极材料的制备方法，操作简单，不涉及高温高压，室温下即可完成，易于大规模生产；另一方面，将制得的该复合正极材料用于锂硫电池中，可以解决锂硫电池充放电过程中多硫离子在液态电解液中的溶解，有效抑制穿梭效应，提高锂硫电池的库伦效率和循环稳定性。
附图说明
图1 本发明实施例1制得的硒化物量子点与碳管载硫复合正极材料用于锂硫电池与不含硒化物量子点材料的锂硫电池在0.2C下的充放电平台对比图；
图2 本发明实施例1制得的不同比例硒化物量子点与碳管载硫复合正极材料用于锂硫电池与不含硒化物量子点材料的锂硫电池的倍率性能对比图；
图3 本发明实施例2制得的硫化物量子点与碳管石墨复合正极材料用于锂硫电池时的高面密度循环性能图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
硒化物量子点与碳管载硫复合正极材料的制备及在锂硫电池中应用
（1）碳管载硫复合材料的制备：取200mg的碳管与200mg单质硫于研钵，将多孔碳和硫充分研磨均匀，将所得混合物转移至25ml称量瓶内，并加入3.2mL CS2充分搅拌，待CS2挥发完全，将混合物转移至120℃烘箱保温12h，之后冷却至室温，收集所得产物即得碳管载硫复合材料；
（2）硒化物量子点碳管载硫复合正极材料的制备：将碳管载硫复合材料300mg与导电添加剂炭黑15mg、粘接剂聚偏氟乙烯15mg、1mg硒化物量子点混合，然后加入2.5mL NMP并超声分散、充分搅拌，控制好浆料的粘度在10000cps，随后以150mm的厚度用刮刀涂覆在集流体铝箔上（铝箔用NMP和酒精清洗两遍，以除去表面氧化层和杂质，自然风干，铝箔厚度为30um）。然后将铝箔转移至40℃烘箱内，烘干，即得到所需正极材料；
（3）电池的组装：将步骤（2）制得的复合电极材料，切成直径为14mm的圆形片，在干燥的环境下称重，并扣除空白铝片质量，制成正极极片，待用。作为对照实验，不含硒化物量子点的碳管载硫复合正极材料也按同样方法制成对照正极极片待用；在充满氩气，水和氧气含量均小于lppm的手套箱中进行电池的组装。以商业金属锂片为参比电极和对电极，采用LiTFSI／DOL.DMC（1：1）且溶有1%LiNO3的液态电解液，隔膜采用Celgard2400，组装成CR2025纽扣电池以后，静置24h，然后进行充放电测试；
（4）新威电池测试***在不同倍率下进行电池充放电测试，测试条件为室温环境，窗口起始电压为1.5V，终止电压为3.0V；
图1为本实施例制得的硒化物量子点碳管载硫复合正极材料用于锂硫电池与没有添加硒化物量子点的锂硫电池在0.2C下的充放电平台对比图，从图中可以看出，具有硒化物量子点的碳管载硫复合材料的锂硫电池容量和采集率明显优于没有添加硒化物量子点的锂硫两种电池。
图2为硒化物量子点碳管载硫复合正极材料用于锂硫电池与不含硒化物量子点的锂硫电池倍率性能对比图，从图中可以明显看出，含有硒化物量子点的正极材料的锂硫电池在各个倍率下都拥有较高的放电容量。
实施例2
硫化物量子点与碳管载硫复合正极材料的制备及在锂硫电池中应用
（1）碳管载硫复合材料的制备：取200mg上述所得的碳管复合材料与400mg单质硫于研钵，将多孔碳和硫充分研磨均匀，将所得混合物转移至25ml称量瓶内，并加入6mL CS2充分搅拌，待CS2挥发完全，将混合物转移至150℃烘箱保温10h，之后冷却至室温，收集所得产物即得碳管载硫复合材料；
（2）硫化物量子点碳管载硫复合正极材料的制备：将碳管载硫复合材料400mg与导电添加剂炭黑50mg、粘接剂聚偏氟乙烯50mg、2mg硫化物量子点混合，然后加入3.5mL NMP并超声分散、充分搅拌，控制好浆料的粘度在6000cps，随后以150mm的厚度用刮刀涂覆在集流体铝箔上（铝箔用NMP和酒精清洗两遍，以除去表面氧化层和杂质，自然风干，铝箔厚度为30um）。然后将铝箔转移至50℃烘箱内，烘干，即得到所需正极材料；
（3）电池的组装：将步骤（2）制得的复合电极材料，切成直径为14mm的圆形片，在干燥的环境下称重，并扣除空白铝片质量，制成正极极片，待用。作为对照实验，不含硫化物量子点的碳管载硫复合正极材料也按同样方法制成对照正极极片待用；在充满氩气，水和氧气含量均小于lppm的手套箱中进行电池的组装。以商业金属锂片为参比电极和对电极，采用LiTFSI／DOL.DMC（1：1）且溶有1%LiNO3的液态电解液，隔膜采用Celgard2400，组装成CR2025纽扣电池以后，静置24h，然后进行充放电测试；
（4）新威电池测试***在不同倍率下进行电池充放电测试，测试条件为室温环境，窗口起始电压为1.5V，终止电压为3.0V；
图3为硫化物量子点碳管载硫复合正极材料用于锂硫电池时，在3.6mg·cm-2的高面密度下，以1.97mA·cm-2的电流密度进行循环稳定性测试，从图中可知，含有硫化物量子点的电池稳定性及容量均良好。

Claims (6)

1.一种量子点/碳管载硫复合正极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）碳管载硫复合材料的制备：
将碳管与单质硫按1:1-2混合，研磨均匀后加入3-6mLCS2料液中搅拌，然后置于室温下至CS2挥发完全后，剩余物质于120~160℃烘箱中保温8~12h，之后冷却至室温，即得碳管载硫复合材料；
（2）量子点/碳管载硫复合正极材料的制备：
将步骤（1）所得碳管载硫复合材料与导电添加剂、粘结剂按3-8:1:1混合，然后加入2-5mL N-甲基吡咯烷酮、以及硒或硫化物量子点试剂1-20mg搅拌并超声分散均匀，硒或硫化物量子点试剂的添加量与碳管载硫复合材料的质量比为1:20-200，控制粘度在1000~10000cps，得到浆料，将所得浆料用刮刀涂覆在集流体铝箔上，然后将铝箔转移至40~60℃烘箱内烘干，即得硒或硫化物量子点与碳管载硫复合正极材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的集流体铝箔的厚度为30um，在使用前用N-甲基吡咯烷酮和酒精清洗，以除去表面氧化层和杂质，自然风干。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的导电添加剂为炭黑，粘结剂为聚偏氟乙烯。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的硒或硫化物量子点试剂为对多硫化物具有吸附能力的试剂。
5.一种如权利要求1-4任一项制备方法制备的量子点/碳管载硫复合正极材料。
6.一种如权利要求5所述的量子点/碳管载硫复合正极材料在锂硫电池中作为正极电极的应用，其特征在于，将所述的量子点与碳管载硫复合正极材料加工成锂硫电池正极电极的规格形状和尺寸，作为其正极电极片。
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