[發(fā)明專利]一種硫-聚吡咯-二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2018-10-30
• 公開（公告）號(hào): CN109473646B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 釗妍;王加義
• 申請（專利權(quán)）人: 肇慶市華師大光電產(chǎn)業(yè)研究院
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 天津市尚文知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12222
• 代理人: 楊秀偉

本發(fā)明涉及一種硫?聚吡咯?二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法及其在鋰硫電池中的應(yīng)用。采用聚吡咯?二維層狀碳化鈦復(fù)合材料作為硫載體材料，再利用球磨和熱融法摻硫制備硫?聚吡咯?二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。該復(fù)合材料用作鋰硫電池正極材料，能夠極大地提升硫負(fù)載量，具有抑制穿梭效應(yīng)，緩解鋰硫電池充放電過程中體積膨脹的效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明的技術(shù)方案涉及一種高比容量的鋰硫電池正極材料的制備方法，具體涉及一種硫-聚吡咯-二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法及其作為鋰硫電池正極材料的應(yīng)用，屬于材料化學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車和能源儲(chǔ)備等相關(guān)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對電池的性能提出了越來越高的要求。開發(fā)具有高性能、低成本和環(huán)境友好的新型鋰離子二次電池具有非常重要的戰(zhàn)略意義。目前，已商業(yè)化的鋰離子電池理論比容量受自身理論比容量為300mAh/g的限制，顯然不能滿足對鋰離子電池實(shí)際應(yīng)用質(zhì)量的要求，而新型鋰硫電池的理論比容量約為商業(yè)鋰離子電池理論比容量的五倍，其理論比容量為1675mAh/g，比能量為2500Wh/kg，被認(rèn)為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ母吣茈姵刂弧?/p>

然而，鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用上仍然存在一些關(guān)鍵難題。其一，室溫下純硫是電子和離子的絕緣體（電導(dǎo)率為5×10-30^S·cm^-1），電子和離子在以硫?yàn)檎龢O材料的正極中的傳輸非常困難。其二，在充放電過程中所形成的中間產(chǎn)物多硫化鋰易溶于電解液溶液中，從而導(dǎo)致正極上的電活性物質(zhì)粉化脫落及溶解損失，且溶解在電解液中的多硫化鋰擴(kuò)散到鋰金屬負(fù)極上，反應(yīng)生成的硫化鋰沉淀在負(fù)極的表面，使得電池的內(nèi)阻增大，最終導(dǎo)致電池的容量衰減。其三，硫和最終產(chǎn)物L(fēng)i₂S的密度不同，硫正極會(huì)發(fā)生體積膨脹而碎裂(膨脹比為76%)，這些都會(huì)導(dǎo)致鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性變差。

現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用填充、混合或包覆的方法將單質(zhì)硫和具有高的孔結(jié)構(gòu)的多孔材料進(jìn)行機(jī)械復(fù)合，形成正極復(fù)合材料，從而改善硫基正極的鋰離子電導(dǎo)率和電池的循環(huán)性能。該多孔材料被要求：一，具有化學(xué)穩(wěn)定性，不與多硫化物和金屬鋰發(fā)生反應(yīng)；二，不溶于電解質(zhì)；三，具有較高的鋰離子電導(dǎo)率。

MXene材料是一種新型的二維層狀材料,由層狀化合物MAX材料在氫氟酸溶液中刻蝕處理制得。其中,M為過渡金屬元素,A為II、IV主族元素,X為C或N元素。因?yàn)榫哂信c石墨烯相似的二維結(jié)構(gòu)而命名為MXene。在氫氟酸刻蝕過程中,層狀化合物MAX中M-X共價(jià)鍵結(jié)合力遠(yuǎn)勝于M-A金屬鍵,因此A原子層被剝離掉,剩下M-X原子層形成二維層狀結(jié)構(gòu)材料。MXene材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和較高的比表面積，已被報(bào)道用于能源儲(chǔ)存材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的電容量和循環(huán)穩(wěn)定性，有潛力用于大規(guī)模生產(chǎn)作為儲(chǔ)能器件的電極材料。但目前單純的MXene材料作為電極材料,比電容和電容量還有待提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的為針對當(dāng)前技術(shù)存在的不足，提供一種鋰硫電池正極材料的制備方法。該方法先制備聚吡咯-二維層狀碳化鈦復(fù)合材料作為硫載體材料，再利用球磨和熱融法摻硫制備硫-聚吡咯-二維層狀碳化鈦復(fù)合材料。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)制備的鋰硫電池正極材料中硫的有效負(fù)載量低，多硫化物“穿梭效應(yīng)”明顯，鋰硫電池的體積膨脹效應(yīng)顯著以及電池的電化學(xué)性能不穩(wěn)定的缺陷，具有提升硫負(fù)載量，抑制穿梭效應(yīng)，緩解鋰硫電池充放電過程中體積膨脹的效果。

本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種硫-聚吡咯-二維層狀碳化鈦復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

（1） 制備二維層狀Ti₂C：

將0.5～1g Ti₂AlC粉末置于50～100mL氫氟酸溶液，所述氫氟酸的質(zhì)量濃度為20~50%，陶瓷粉末與HF溶液質(zhì)量比為1:10-30中,升溫至50～80℃，在磁力攪拌條件下反應(yīng)12～24小時(shí)。反應(yīng)完成后離心收集產(chǎn)物，用去離子水反復(fù)清洗至pH為中性，置于烘箱中60℃烘干12小時(shí)即得二維層狀Ti₂C。