[發明專利]中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201910836251.6
• 申請日: 2019-09-05
• 公開（公告）號: CN112447955B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發明（設計）人: 付永勝;吳震;汪信;袁磊;韓秋瑞;蘭穎潔;周焱;陳鵬
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞

本發明公開了一種中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料的制備方法。所述方法先將中空介孔碳球充分分散于水中，再依次加入硫酸鎳和過硫酸鉀水溶液，并緩慢加入氨水，得到中空介孔碳球負載氫氧化鎳復合材料，然后將中空介孔碳球負載氫氧化鎳復合材料和硫混合，在150～155℃下進行熱熔融揮硫反應，得到中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料。本發明采用的中空介孔碳球具有較大的比表面，可以防止體積膨脹效應和提高活性物質載量，抑制多硫化物的溶解，另一方面，中空介孔碳球負載的片層氫氧化鎳具有超薄的結構，可以提供更多的活性位點和強有力的化學吸附多硫化物，從而達到抑制穿梭效應，制備的電池具有高容量、倍率性好且循環壽命長的優點。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池的正極材料技術領域，涉及一種中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料的制備方法。

背景技術

鋰硫電池具有很高的理論比容量(1675mAh·g^-1)和能量密度(2600Wh·kg^-1)，并且硫元素便宜易得，使其成為有吸引力的下一代低成本能量存儲技術之一。但是鋰硫電池存在許多問題，例如自身容量衰減快，硫正極電導率低，多硫化物“穿梭效應”，鋰離子沉積以及在充放電過程中由于體積變化造成結構改變等問題。上述問題中，穿梭效應對鋰硫電池性能的影響最大，也是最難以解決的問題。因此，尋找并開發新的鋰硫電池正極材料已是亟需解決的問題。

在對鋰硫電池正極材料改進上，空心碳球/硫復合材料成為了研究熱點。空心碳球具有良好的導電性，還具有高孔隙度、強吸附能力、低成本等優點。然而，由于非極性的碳與極性的多硫化物之間的化學作用很弱，單純的物理吸附很難完全抑制多硫化物的擴散，導致在后續的循環過程中出現性能的急劇衰減。

針對空心碳球/硫復合材料容量衰減的問題，Wu等人采用柔性逐層自組裝策略，將聚電解質多層(PEMs)和石墨烯片涂覆空心碳球/硫復合材料表面，制備的復合電極在1A g^-1電流密度下具有非常穩定的200多次循環穩定性，平均庫侖效率高達99％(Nano letters,2016,16(9):5488-5494)。然而，該電極材料的倍率性能和循環壽命難以滿足當前應用的要求。Ni等人將空心碳球/硫復合材料與高錳酸鉀反應，生成一層極性的二氧化錳作為保護層，可以同時通過物理和化學吸附有效抑制多硫化物溶出(ACS applied materialsinterfaces,2017,9(40):34793-34803)。但是，生成的二氧化錳殼層較厚，使得硫含量只能達到60％，較低的能量密度使得其難以應用。

發明內容

為了有效抑制多硫化物在充放電過程中的穿梭效應，提高活性物質硫的利用率和電池的循環性能，本發明提供一種可作為鋰硫電池正極材料的中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料的制備方法。

本發明的技術方案如下：

中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料的制備方法，具體步驟如下：

步驟1，中空介孔碳球負載氫氧化鎳復合材料：

在超聲條件下，將中空介孔碳球充分分散于水中，依次加入硫酸鎳和過硫酸鉀水溶液，再緩慢加入氨水，攪拌條件下反應，反應結束后離心，取固相洗滌、干燥，得到中空介孔碳球負載氫氧化鎳復合材料；

步驟2，制備中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料：

將中空介孔碳球負載氫氧化鎳復合材料和硫混合，在150～155℃下進行熱熔融揮硫反應，得到中空介孔碳球負載氫氧化鎳/硫復合材料。

步驟2中，所述的中空介孔碳球、硫酸鎳和過硫酸鉀的質量比為1：50：2～1：80：2，在此條件下得到的氫氧化鎳恰能包裹中空介孔碳球，且得到的復合材料形貌均一。

步驟2中，所述的反應時間為10～12h，當溫度達到150～155℃時，硫具有較強的流動性，在毛細作用下進入中空介孔碳球的內部，同時此溫度下硫揮發損失較小。