[發(fā)明專利]一種二氧化鈦包覆含磷碳納米管復(fù)合材料的制備方法和鋰硫電池

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• 申請日: 2018-11-15
• 公開（公告）號(hào): CN109546113A
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王克堅(jiān);賈晨曉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京長城華冠汽車科技股份有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京工信聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11266
• 代理人: 蘆玲玲

本發(fā)明提供了一種二氧化鈦包覆含磷碳納米管復(fù)合材料的制備方法和鋰硫電池，主要的技術(shù)方案為：將碳納米管和磷酸酯類衍生物混合后進(jìn)行研磨處理，升溫至600?700℃并碳化處理，制得含磷碳納米管；稱取適量含磷碳納米管、TiO₂及表面活性劑，在50?70℃下恒溫反應(yīng)，收集沉淀后在50?60℃下干燥，得到二氧化鈦包覆的含磷碳納米管；將二氧化鈦包覆的含磷碳納米管與升華硫混合，并進(jìn)行研磨處理后在155?160℃下恒溫加熱，再升溫一段時(shí)間后冷卻，得到產(chǎn)物。本發(fā)明制備的二氧化鈦包覆含磷碳納米管/硫復(fù)合材料可以較好的傳導(dǎo)電子，并通過碳納米管及P元素的吸附作用有效地固定鋰硫電池中硫元素，有利于提高鋰硫電池的庫倫效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰硫電池技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種二氧化鈦包覆含磷碳納米管復(fù)合材料的制備方法和鋰硫電池。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有高能量密度、良好的循環(huán)性能、無記憶效應(yīng)、工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但隨著科技的發(fā)展，便攜式電子設(shè)備、能源、通信、交通、軍事、航天等領(lǐng)域的迅速發(fā)展對鋰離子電池的能量密度提出了越來越高的應(yīng)用要求，現(xiàn)有的商業(yè)化鋰離子電池限于其正極材料本身的理論比容量，能量密度有限，暫時(shí)無法滿足這些要求。近年來，鋰硫電池以其高達(dá)1675mAh/g的理論比容量、2600Wh/kg的理論比能量(與金屬鋰組成電池)成為研究熱點(diǎn)，其理論比容量比目前商用鋰電池高出約一個(gè)數(shù)量級。同時(shí)，硫具有儲(chǔ)量豐富、無毒環(huán)保等特點(diǎn)，具有極高的應(yīng)用潛力。然而，就目前技術(shù)水平而言，鋰硫電池仍存在許多較難解決的技術(shù)難題和不足之處，這些問題表現(xiàn)在鋰硫電池的庫倫效率較低、循環(huán)性能差、自放電率高等方面。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于此，本發(fā)明提出了一種二氧化鈦包覆含磷碳納米管復(fù)合材料的制備方法和鋰硫電池，旨在解決現(xiàn)有鋰硫電池庫倫效率較低的問題。

本發(fā)明第一方面提供了一種二氧化鈦包覆含磷碳納米管復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，將質(zhì)量比為(2-4):(1-3)的碳納米管和磷酸酯類衍生物混合后進(jìn)行研磨處理，將處理后的混合物升溫至600-700℃并碳化處理1-2h，制得含磷碳納米管。

具體而言，磷酸酯類衍生物為磷酸酯、亞磷酸脂、亞磷酸三乙酯、亞磷酸三甲酯和亞磷酸三苯酯中的任意一種或多種。

為了確保碳納米管和磷酸酯類衍生物成分反應(yīng)使得P元素更好的摻入碳納米管中，碳納米管和磷酸酯類衍生物的質(zhì)量比優(yōu)選為(2-3):(1-2)；進(jìn)一步優(yōu)選為2:1。實(shí)際中，碳納米管和磷酸酯類衍生物的質(zhì)量比可以為4:3、3:2、2:1等。

具體實(shí)施時(shí)，將所述碳納米管和磷酸酯類衍生物的混合物在400r/min的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行球磨處理。更具體的，可以先進(jìn)行順時(shí)針球磨，再進(jìn)行逆時(shí)針球磨，球磨約5小時(shí)。優(yōu)選的，所述碳納米管和磷酸酯類衍生物的混合物混合物與磨球的質(zhì)量比為20:1。

步驟1中，為了使得保證碳化的效果，碳納米管和磷酸酯類衍生物的碳化溫度優(yōu)選為630～670℃，更優(yōu)選為650℃；由于反應(yīng)時(shí)間過長，會(huì)有副產(chǎn)物產(chǎn)生，因此碳化時(shí)間優(yōu)選為1.25～1.75h，更優(yōu)選為1.5h。

由于碳納米管(CNT)具有純度高、表面潔凈度好、導(dǎo)電性能優(yōu)異等特點(diǎn)，其管間范德華力較強(qiáng)，可以相互連接成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有利于增強(qiáng)電極的導(dǎo)電性，同時(shí)也可作為基底吸附硫原子。磷元素具有5個(gè)價(jià)電子，有利于其與碳原子形成較強(qiáng)的價(jià)鍵，因此二者摻雜能增加碳材料的自由電荷的傳遞密度和增強(qiáng)電或熱的傳導(dǎo)性。本發(fā)明實(shí)施例中，以PCNT代表含P碳納米管。

步驟2，稱取適量含磷碳納米管、TiO₂及表面活性劑，加入適量水中，使其均勻分散后，在50-70℃下恒溫反應(yīng)10-14h，將得到的溶液進(jìn)行抽濾，洗滌并收集沉淀后在50-60℃下干燥10-14h，得到二氧化鈦包覆的含磷碳納米管；其中，含磷碳納米管、TiO₂及表面活性劑的質(zhì)量比為(2-3)：(1-1.5)：(0.5-0.75)。