[發明專利]一種雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202010701695.1
• 申請日: 2020-07-20
• 公開（公告）號: CN111668503B
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 尹龍衛;張鵬;王朋;惠曉斌;葛曉麗;王慧洋
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/86;H01M4/88;H01M12/08;C01G51/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 韓獻龍

1.一種雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，所述正極材料的微觀形貌是：炭黑修飾的碳紙基底上生長有中空的鋅鈷雙金屬硫化物納米片陣列；所述納米片的寬度為0.8-1.5μm，長度為2-4μm，納米片的厚度為0.1-0.3μm；

制備方法包括步驟：

(1)將炭黑和聚四氟乙烯充分分散于異丙醇或N-甲基吡咯烷酮中得漿液；將漿液均勻涂布于經預處理的碳紙一側，經干燥得到炭黑修飾的碳紙；所述經預處理的碳紙的制備方法如下：將碳紙加入質量濃度為65-98％的濃硝酸中，100-150℃下溶劑熱處理3-5h進行親水預處理，然后經洗滌、干燥即得經預處理的碳紙；

(2)將鈷鹽和鋅鹽的混合水溶液加入2-甲基咪唑水溶液中，得混合液；加入炭黑修飾的碳紙，室溫靜置3-5h，然后經洗滌、干燥得ZnCo-MOF納米片陣列；

(3)將ZnCo-MOF納米片陣列、硫代乙酰胺充分分散于無水乙醇中，得反應液，經溶劑熱反應，然后經洗滌、干燥得到ZnCo₂S₄納米片陣列，即雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料；所述溶劑熱反應溫度為70-85℃，反應時間為7-9h。

2.根據權利要求1所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，步驟(1)中，包括以下條件中的一項或多項：

a、所述炭黑為super P；

b、所述炭黑與聚四氟乙烯的質量比為9:1；漿液中炭黑的質量濃度為3mg ml^-1；

c、所述炭黑修飾的碳紙中炭黑的負載量為0.5-1.5mg cm^-2。

3.根據權利要求1所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，步驟(1)中所述親水預處理溫度為120℃，親水預處理時間為4h。

4.根據權利要求1所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，步驟(2)中，包括以下條件中的一項或多項：

a、所述鈷鹽為硝酸鈷或氯化鈷；所述鋅鹽為硝酸鋅或氯化鋅；

b、所述鈷鹽、鋅鹽和2-甲基咪唑的摩爾比為1-3：1：20-28；

c、所述2-甲基咪唑水溶液的濃度為0.3-0.5mol/L；

d、所述混合水溶液中鈷鹽和鋅鹽的總摩爾濃度為0.04-0.06mol/L；

e、所述混合液的體積和炭黑修飾的碳紙的面積比為80:7-10mL/cm²。

5.根據權利要求4所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，包括以下條件中的一項或多項：

a、所述鈷鹽、鋅鹽和2-甲基咪唑的摩爾比為2：1：24；

b、所述混合水溶液中鈷鹽和鋅鹽的總摩爾濃度為0.05mol/L；

c、所述混合液的體積和炭黑修飾的碳紙的面積比為80:9mL/cm²。

6.根據權利要求1所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，步驟(3)中所述硫代乙酰胺與步驟(2)中鈷鹽和鋅鹽的總摩爾比為0.5-1:1；反應液中硫代乙酰胺的摩爾濃度為0.03-0.05mol L^-1。

7.根據權利要求6所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，步驟(3)中所述硫代乙酰胺與步驟(2)中鈷鹽和鋅鹽的總摩爾比為0.85：1；反應液中硫代乙酰胺的摩爾濃度為0.035mol L^-1。

8.根據權利要求1所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，步驟(3)中所述溶劑熱反應溫度為80℃，反應時間為8h。

9.根據權利要求1所述的雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料，其特征在于，步驟(3)中所述ZnCo₂S₄納米片陣列中活性物質的負載量為0.5-0.6mg cm^-2。

10.如權利要求1-9任意一項所述雙金屬硫化物鋰空氣電池正極材料的應用，作為鋰空氣電池正極，與負極鋰片、隔膜、有機電解液組成鋰空氣電池；

所述有機電解液是將雙三氟磺酰亞胺鋰鹽(LiTFSI)溶于四乙二醇二甲醚(TEGDME)中制備得到，四乙二醇二甲醚中雙三氟磺酰亞胺鋰鹽的濃度為1molL^-1。