本發(fā)明專利技術(shù)提供一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法及其應(yīng)用，屬新能源技術(shù)領(lǐng)域。硫化鋰/碳復(fù)合正極材料由碳層包覆硫化鋰中空小球構(gòu)成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。制備方法：通過噴霧干燥制備硫酸鋰小球，然后與碳源前驅(qū)體充分混合后經(jīng)原位氧化還原而成。本發(fā)明專利技術(shù)制備的復(fù)合正極材料能夠有效地降低硫化鋰成本和縮短材料制備周期，其中碳層與中空硫化鋰小球接觸面積大，能夠顯著增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性。能夠顯著增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性。能夠顯著增強(qiáng)材料的導(dǎo)電性和電化學(xué)活性。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法及應(yīng)用
[0001]本專利技術(shù)屬于新能源
，涉及一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法及其應(yīng)用。
技術(shù)介紹
[0002]傳統(tǒng)的鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備和電動(dòng)汽車行業(yè)，但其較低的能量密度已難以滿足新興領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的能源需求。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一種能量密度更高且循環(huán)壽命更長(zhǎng)的新型二次電池迫在眉睫。
[0003]電極材料是電池系統(tǒng)的核心組件，是制約電池能量密度提高的關(guān)鍵瓶頸。硫化鋰是一種新興的二次電池電極材料，它具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，其理論比容量(1166mA h g
?1)是傳統(tǒng)的氧化物電極的三倍以上。其次，高熔點(diǎn)特性(938℃)使其可以適應(yīng)多種嚴(yán)苛的電極制備方法。最后，作為硫的完全鋰化態(tài)，可以與多種不含有金屬鋰的儲(chǔ)鋰負(fù)極匹配，規(guī)避金屬鋰導(dǎo)致的安全風(fēng)險(xiǎn)。但是商業(yè)化硫化鋰材料存在價(jià)格高昂、導(dǎo)電性差、電化學(xué)活性差、多硫化物溶解穿梭等問題，限制其在鋰二次電池中的應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)的目的在于提供一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方案。通過噴霧干燥與碳熱還原兩步反應(yīng)，制備碳包覆硫化鋰中空球，該方法制備的硫化鋰正極材料改善了商業(yè)化硫化鋰成本高昂、導(dǎo)電性差、電化學(xué)活性差的問題，達(dá)到了提高正極材料活性物質(zhì)利用率的目的。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用的技術(shù)方案為：
[0006]一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法。由硫酸鋰經(jīng)過噴霧干燥形成硫酸鋰中空球，與碳源前驅(qū)體混合后，利用碳熱還原反應(yīng)制備碳包覆硫化鋰中空球。其中，所述的噴霧干燥過程為壓力噴霧或超聲噴霧過程；所述的碳源前驅(qū)體為聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、果糖中至少一種。
[0007]一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法，具體包括以下步驟：
[0008]1)將硫酸鋰于常溫常壓條件下溶于去離子水，形成均相溶液，其濃度為10
?
40mg mL
?1。
[0009]2)用壓力噴霧干燥機(jī)對(duì)溶液進(jìn)行噴霧干燥操作，得到硫酸鋰中空球粉末。其中，噴霧干燥機(jī)風(fēng)機(jī)頻率為100％，進(jìn)風(fēng)溫度為140
?
220℃，蠕動(dòng)泵進(jìn)料量為10
?
20r/min；
[0010]3)或利用超聲噴霧干燥機(jī)對(duì)溶液進(jìn)行霧化操作，得到硫酸鋰氣溶膠微液滴，以惰性氣體為載氣，將氣溶膠微液滴吹入預(yù)設(shè)溫度的高溫爐內(nèi)，快速干燥后得到硫酸鋰中空球粉末。其中，高溫爐的預(yù)設(shè)溫度為400
?
800℃，惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣蚝庵兄辽僖环N，載氣流速為0.1
?
1.0L h
?1。
[0011]4)將乙酸鈷、碳源前驅(qū)體溶于無水乙醇中，在60
?
80℃油浴條件下攪拌4
?
8h，得到碳源前驅(qū)體溶液。所述的碳源前驅(qū)體為聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇、果糖中至少一種；所述
的乙酸鈷的濃度為0.01
?
0.02mol L
?1；所述的碳源前驅(qū)體的含量為30
?
45mg mL
?1。
[0012]5)將步驟2)或者步驟3)中制備的硫酸鋰中空球粉末加入步驟4)制備的碳源前驅(qū)體溶液中，充分干燥去除溶劑后，在空氣氣氛下熱處理得到褐色粉末。其中，熱處理溫度為260
?
280℃，熱處理時(shí)間為2
?
3h。所述分散液中硫酸鋰中空球與碳源前驅(qū)體的質(zhì)量比為1:1.2
?
1:1.5，硫酸鋰中空球濃度為20
?
30mg mL
?1。
[0013]6)將步驟5)制備的褐色粉末在惰性氣氛中進(jìn)行高溫碳化處理，得到碳包覆硫化鋰中空球材料。其中碳化溫度為750
?
850℃；碳化時(shí)間為2
?
3h。所述碳化過程主要化學(xué)反應(yīng)為：所得復(fù)合材料中硫化鋰載量為60
?
80wt.％，鈷單質(zhì)載量為5
?
10wt.％，所述惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣蚝庵兄辽僖环N。
[0014]上述方法制備得到的碳包覆硫化鋰中空球正極材料應(yīng)用于鋰二次電池中，尤其是硫化鋰電池中。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)解決了商業(yè)化硫化鋰材料的應(yīng)用難題，其有益效果為：
[0016](1)通過廉價(jià)硫酸鋰和碳源合成硫化鋰/碳復(fù)合材料，大幅度降低硫化鋰正極材料制造成本，過程簡(jiǎn)便易行。
[0017](2)中空結(jié)構(gòu)的硫化鋰/碳復(fù)合正極材料可以有效提高硫化鋰的導(dǎo)電性，同時(shí)增大正極材料的活性比表面積。
附圖說明
[0018]圖1是本專利技術(shù)實(shí)施例1制備的硫酸鋰中空球的掃描電子顯微鏡照片；
[0019]圖2是本專利技術(shù)實(shí)施例2制備的硫酸鋰中空球的掃描電子顯微鏡照片；
[0020]圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例3制備的碳包覆硫化鋰中空球正極材料的掃描電子顯微鏡照片；
[0021]圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例4制備的碳包覆硫化鋰中空球正極材料的電壓容量曲線；
[0022]圖5是本專利技術(shù)實(shí)施例5制備的碳包覆硫化鋰中空球正極材料的庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性；
[0023]圖6是本專利技術(shù)實(shí)施例6制備的碳包覆硫化鋰中空球正極材料的倍率性能。
具體實(shí)施方式
[0024]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的諸多缺陷，本案專利技術(shù)人經(jīng)長(zhǎng)期研究和大量實(shí)踐，提出本專利技術(shù)的技術(shù)方案，如下將對(duì)該技術(shù)方案、其實(shí)施過程及原理等作進(jìn)一步的解釋說明。但是，應(yīng)當(dāng)理解，在本專利技術(shù)范圍內(nèi)，本專利技術(shù)的上述各技術(shù)特征和在下文(實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以相互結(jié)合，從而構(gòu)成新的或者優(yōu)選的技術(shù)方方案。
[0025]下述實(shí)施例中所用的材料、試劑等，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑得到。
[0026]實(shí)施例1
[0027]1)將硫酸鋰于常溫常壓條件下溶于去離子水，形成均相溶液，其濃度為20mg mL
?1。
[0028]2)用壓力噴霧干燥機(jī)對(duì)溶液進(jìn)行噴霧干燥操作，得到硫酸鋰中空球粉末。其中，噴霧干燥機(jī)風(fēng)機(jī)頻率為100％，進(jìn)風(fēng)溫度為180℃，蠕動(dòng)泵進(jìn)料量為10r/min。
[0029]3)將乙酸鈷、碳源前驅(qū)體溶于無水乙醇中，在75℃油浴條件下攪拌6h，得到碳源前
驅(qū)體溶液。所述的碳源前驅(qū)體為聚乙烯吡咯烷酮；所述的乙酸鈷的濃度為0.02mol L
?1；所述的碳源前驅(qū)體的含量為45mg mL
?1。
[0030]4)將步驟2)中制備的硫酸鋰中空球粉末加入步驟3)制備的碳源前驅(qū)體溶液中，充分干燥去除溶劑后，在空氣氣氛下熱處理得到褐色粉末。其中，熱處理溫度為270℃，熱處理時(shí)間為2h。所述分散液中硫酸鋰中空球與碳源前驅(qū)體的質(zhì)量比為1:1.5，硫酸鋰中空球濃度為30mg mL
?1。
[0031]5)將步驟4)制備的褐色粉末在惰性氣氛中進(jìn)行高溫碳化處理，得到碳包覆硫化鋰中空球材料。其中碳化溫度為800℃；碳化時(shí)間為2h。所得復(fù)合材料中硫化鋰載量為60wt.％，鈷單質(zhì)載量為本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法，其特征在于，由硫酸鋰經(jīng)過噴霧干燥形成硫酸鋰中空球，與碳源前驅(qū)體混合后，利用碳熱還原反應(yīng)制備碳包覆硫化鋰中空球；其中，所述的噴霧干燥過程為壓力噴霧或超聲噴霧過程。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)將硫酸鋰于常溫常壓條件下溶于去離子水，形成均相溶液；2)用壓力噴霧干燥機(jī)對(duì)溶液進(jìn)行噴霧干燥操作，得到硫酸鋰中空球粉末；3)或利用超聲噴霧干燥機(jī)對(duì)溶液進(jìn)行霧化操作，得到硫酸鋰氣溶膠微液滴，以惰性氣體為載氣，將氣溶膠微液滴吹入預(yù)設(shè)溫度的高溫爐內(nèi)，快速干燥后得到硫酸鋰中空球粉末；4)將乙酸鈷、碳源前驅(qū)體溶于無水乙醇中，在60
?
80℃油浴條件下攪拌4
?
8h，得到碳源前驅(qū)體溶液；5)將步驟2)或者步驟3)中制備的硫酸鋰中空球粉末加入步驟4)制備的碳源前驅(qū)體溶液中，充分干燥去除溶劑后，在空氣氣氛下熱處理得到褐色粉末；其中，熱處理溫度為260
?
280℃，熱處理時(shí)間為2
?
3h；6)將步驟5)制備的褐色粉末在惰性氣氛中進(jìn)行高溫碳化處理，得到碳包覆硫化鋰中空球材料；其中碳化溫度為750
?
850℃；碳化時(shí)間為2
?
3h；所得復(fù)合材料中硫化鋰載量為60
?
80wt.％，鈷單質(zhì)載量為5
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10wt.％。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳包覆硫化鋰中空球正極材料的制備方法，其特征在于，所述...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王治宇，李顏汐，邱介山，馬克勤，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：大連理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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