一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術是一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用，本發明專利技術首先以氧化石墨烯和含鈷離子的化合物為原料，通過回流反應獲得鈷絡合物包覆的還原石墨烯前驅體；然后采用CVD方法獲得碳化鈷修飾的還原石墨烯

【技術實現步驟摘要】
一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用


[0001]本專利技術屬于鋰硫電池
，尤其涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法和應用，具體涉及一種Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料及其制備方法和應用。

技術介紹

[0002]鋰硫電池的理論比能量為2600Whkg
?1，是目前鋰離子電池理論比能量(500Whkg
?1)的5倍，因而被公認為是下一代最具前景的鋰二次電池。并有望在便攜式電子產品、電動汽車、航天飛行器以及電網傳輸等領域得到廣泛應用，因而在當今社會、經濟及科技的發展上發揮著巨大的作用并極具應用前景。
[0003]但是在室溫條件下，單質硫電導率低，且會在鋰硫電池充放電過程中生成可溶性的多硫化物，從而造成多種副反應、并引起電池體積變化，導致鋰硫電池正極活性物質利用率低、倍率性能差以及循環壽命短，因而會制約硫作為鋰二次電池正極材料的應用發展。因而，如何提高鋰硫電池正極活性物質的利用率和循環壽命將成為鋰硫電池今后的重點發展方向。
[0004]石墨烯是一種新型二維納米材料，其納米片是由sp2雜化碳原子組成的單原子層厚度的二維材料，是目前世界上最薄、最堅硬的納米材料，其強度高達1.01Tpa，是結構鋼的100倍，然而其密度卻僅為結構鋼的1/5。且石墨烯的導熱系數高達5300W/m
·
K，高于碳納米管和金剛石，其常溫下的電子遷移率超過200000cm2/V
·
S，高于碳納米管或硅晶體，其電阻率僅約為1Ω
·
m，比銅或銀更低，為世界上電阻率最小的材料。碳納米管作為一維納米材料，具有優異的導電性能。石墨烯/碳納米管雜化材料有機的將石墨烯與碳納米管以共價鍵的形式結合在一起，既可以防止石墨烯發生堆疊現象，同時還可以形成三維導電網絡，從而極大的提升了復合材料的電導率。
[0005]石墨烯/碳納米管雜化材料具有非常高的電導率，將其應用于鋰硫電池正極材料可以解決硫元素不導電的問題，以提高正極材料的導電性。同時由于石墨烯/碳納米管雜化材料具有較好的韌性和強度，以石墨烯作為鋰硫電池正極材料骨架，能有效解決鋰硫電池正極材料體積變化問題。然而石墨烯/碳納米管雜化碳材料自身為非極性材料，因而對固定多硫化物的貢獻有限。因此，如何提高對多硫化物的固定作用，并有效解決硫元素不導電的問題，以提高正極材料的導電性，同時降低鋰硫電池正極材料體積變化問題成為本領域亟待解決的技術問題。

技術實現思路

[0006]為了改善上述技術問題，本專利技術提供一種Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料，所述復合材料包括RGO
?
CNT雜化材料及負載于所述RGO
?
CNT雜化材料上的Co2C顆粒及S顆粒。
[0007]根據本專利技術的實施方案，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，Co2C顆粒的質量分數為1～20％，示例性為1％、5％、10％、15％、20％。
[0008]根據本專利技術的實施方案，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，S顆粒的質量分數為50
～95％，示例性為50％、60％、70％、80％、90％、95％。
[0009]根據本專利技術的實施方案，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料為“海葵”狀結構，外廓尺寸為5～10μm，示例性為5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm。
[0010]根據本專利技術的實施方案，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，碳納米管的長度為0.2～10.0μm，示例性為0.2μm、1.0μm、2.0μm、4.0μm、6.0μm、8.0μm、10.0μm；碳納米管的直徑為10～100nm，示例性為10nm、20nm、40nm、60nm、80nm、100nm。
[0011]根據本專利技術的實施方案，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，Co2C顆粒的直徑為1～20nm，示例性為1nm、5nm、10nm、15nm、20nm。
[0012]根據本專利技術的實施方案，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，硫顆粒的直徑為5
?
50nm，示例性為5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm。
[0013]本專利技術還提供上述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料的制備方法，包括以含鈷離子的化合物和氧化石墨烯為原料，采用回流反應的方式，將含鈷離子的絡合物沉積在氧化石墨烯表面，再經CVD方法在還原氧化石墨烯表面生長碳納米管，經退火處理后，在還原氧化石墨烯表面生成Co2C顆粒，得到Co2C@RGO
?
CNT復合材料，再經熔化擴散法將S顆粒附著在Co2C@RGO
?
CNT復合材料表面，最終形成Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料。
[0014]根據本專利技術的實施方案，所述氧化石墨烯和含鈷離子的化合物的混合質量比為1:1～1:10，示例性為1:1、1:2、1:5、1:8、1:10。
[0015]優選地，所述含鈷離子的化合物例如可以為醋酸鈷、氫氧化鈷、氯化鈷、硫酸鈷、硝酸鈷中的至少一種。優選為醋酸鈷。
[0016]優選地，所述氧化石墨烯的外廓尺寸為5～10μm，示例性為5μm、8μm、10μm。進一步地，所述氧化石墨烯的比表面積為300～1600m2/g，為300m2/g、500m2/g、800m2/g、1000m2/g、1200m2/g、1500m2/g、1600m2/g。
[0017]根據本專利技術的實施方案，所述氧化石墨烯和含鈷離子的化合物在乙二醇溶劑體系下進行反應。例如，先將氧化石墨烯和含鈷離子的化合物分散于乙二醇中，得到氧化石墨烯和醋酸鈷混合分散液。
[0018]優選地，所述氧化石墨烯與乙二醇的用量比(mg：mL)為20:1～1:1，示例性為1mg:1mL、5mg:1mL、10mg:1mL、20mg:1mL。
[0019]根據本專利技術的一個實施方案，還包括對上述混合分散液進行超聲分散。例如，所述超聲的時間為20～40min，示例性為20min、30min、40min。
[0020]根據本專利技術的一個實施方案，還包括對上述混合分散液進行加熱攪拌，以制得含鈷離子的化合物包覆的還原石墨烯前驅體。優選地，所述加熱的溫度為150～200℃，示例性為150℃、165℃、180℃、200℃。進一步地，所述加熱的時間為30～180min，示例性為30min、60min、90min、120min、150min、180min。根據本專利技術的實施方案，所述制備方法還包括待上述混合分散液冷卻后，過濾，洗滌，并將含鈷離子的化合物包覆的還原氧化石墨烯粉末烘干的步驟。例如，所述烘干的溫度為50
?
70℃，示例性為50℃、60℃、70℃；進一步地，所述烘干時間為12～24h，示例性為本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料，其特征在于，所述復合材料包括RGO
?
CNT雜化材料及負載于所述RGO
?
CNT雜化材料上的Co2C顆粒及S顆粒。2.如權利要求1所述的Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料，其特征在于，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，Co2C顆粒的質量分數為1～20％。優選地，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，S顆粒的質量分數為50～95％。優選地，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料為“海葵”狀結構，外廓尺寸為5～10μm。優選地，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，碳納米管的長度為0.2～10.0μm，碳納米管的直徑為10～100nm。優選地，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，Co2C顆粒的直徑為1～20nm。優選地，所述Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料中，硫顆粒的直徑為5～50nm。3.權利要求1或2所述的Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以含鈷離子的化合物和氧化石墨烯為原料，采用回流反應的方式，將含鈷離子的絡合物沉積在氧化石墨烯表面，再經CVD方法在還原石墨烯表面生長碳納米管，經退火處理后，在還原氧化石墨烯表面生成Co2C顆粒，得到Co2C@RGO
?
CNT，再經熔化擴散法將S顆粒附著在Co2C@RGO
?
CNT復合材料表面，最終形成Co2C@RGO
?
CNT/S復合材料。4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述氧化石墨烯和含鈷離子的化合物的混合質量比為1:1～1:10。優選地，所述含鈷離子的化合物例如可以為醋酸鈷、氫氧化鈷、氯化鈷、硫酸鈷、硝酸鈷中的至少一種。優選地，所述氧化石墨烯和含鈷離子的化合物在乙二醇溶劑體系下進行反應。例如，先將氧化石墨烯和含鈷離子的化合物分散于乙二醇中，得到氧化石墨烯和醋酸鈷混合分散液。優選地，所述氧化石墨烯與乙二醇的用量比(mg：mL)為20:1～1:1。優選地，還包括對上述混合分散液進行加熱攪拌，以制得含鈷離子的絡合物包覆的還原氧化石墨烯前驅體。優選地，所述加熱的溫度為150～200℃，所述加熱的時間為30～180min。5.如權利要求3或4所述的制備方法，其特征在于，所述CVD方法在氫氣/氬氣的混合氣氛下進行。例如，所述氫氣/氬氣的混合比例為1:10～1:20。優選地，所述CVD方法中還需通入碳源氣體，以在還原石墨烯表面生成碳納米管，從而制備得到RGO
?
CNT雜化材料。優選地，所述碳源氣體可以為甲烷、乙烯、丙烯或乙炔中的一種。優選地，所述碳源氣體的流量為100～200cc min
?1。6.如權利要求3
?
5任一項所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王楠，楊明，燕昌童，
申請(專利權)人：蘇州澤相科技有限公司，
類型：發明
國別省市：