【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于電池材料，涉及一種正極宿主材料及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、目前，商業(yè)化的鈷酸鋰或磷酸鐵鋰正極鋰離子電池的能量密度相對(duì)較低(200-300wh·kg-1)，而且存在安全隱患。因此，開發(fā)具有高能量密度和高可靠性的可充電電池將是當(dāng)務(wù)之急。基于硫還原成硫化鋰(li2s)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)可產(chǎn)生1675mah·g-1(s8+16li+＝8li2s)的高理論容量。這種容量大大高于插入式正極材料(如鈷酸鋰和磷酸鐵鋰)，后者的容量低于200mah·g-1。工作電壓約為2.2v的電子電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)可使鋰-硫電池的比能量密度達(dá)到2600wh·kg-1。如果采用最佳配置，實(shí)際能量密度可達(dá)到500-600wh·kg-1。此外，硫還具有資源豐富、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。鋰-硫電池的突破將促進(jìn)可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用。
2、盡管鋰-硫電池具有替代鋰離子電池的巨大潛力，但它仍然面臨幾個(gè)關(guān)鍵問題。其中最主要的問題是，由于硫的低導(dǎo)電性和復(fù)雜的電子轉(zhuǎn)換過程，放電過程中硫還原反應(yīng)(srr)的轉(zhuǎn)換動(dòng)力學(xué)緩慢。硫還原反應(yīng)涉及一系列相變，即從固態(tài)硫還原為各種可溶性中間產(chǎn)物，然后再還原為最終的不溶性li2s2/li2s產(chǎn)物。這種緩慢的動(dòng)力學(xué)過程導(dǎo)致放電過程中硫的還原不充分，從而降低了鋰-硫電池的比容量和速率能力。另一個(gè)挑戰(zhàn)是多硫化鋰中間體(li2sn，3≤n≤8)從陰極向電解液的溶解和擴(kuò)散。硫和鋰之間的轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成了各種可溶于普通有機(jī)電解質(zhì)的li2sn。這種麻煩的現(xiàn)象會(huì)造成兩種有害影響：1)由于在鋰表面沉積了不活潑的li2s2/li2s層，導(dǎo)致鋰陽(yáng)極鈍化；2
3、一般來(lái)說，由于srr動(dòng)力學(xué)緩慢而導(dǎo)致的硫利用不足會(huì)加劇多硫化物穿梭。過去幾十年來(lái)，人們?yōu)榭朔@些挑戰(zhàn)付出了巨大努力。在硫陰極中引入介孔碳(cmk-3)作為宿主材料，有效地限制了硫的擴(kuò)散，并為鋰離子與硫的高反應(yīng)性提供了通道。這種限制確保了充分的氧化還原反應(yīng)，提高了硫的利用率。然而，這種封閉策略并沒有從根本上解決氧化還原反應(yīng)遲緩和穿梭效應(yīng)的問題，因?yàn)橛捎陔娊庖褐械臐舛忍荻龋忾]的多硫化物會(huì)在陰極區(qū)域積聚，并不可避免地向陽(yáng)極側(cè)擴(kuò)散。因此，加速srr的轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)硫陰極充分利用的一種可行策略。能促進(jìn)電荷轉(zhuǎn)移并降低硫陰極反應(yīng)能壘的催化劑材料在改善srr動(dòng)力學(xué)方面顯示出巨大優(yōu)勢(shì)。因此，多硫化物穿梭問題可得到有效解決。然而，盡管近年來(lái)取得了相當(dāng)大的成就，但由于多硫化物穿梭的基本轉(zhuǎn)換機(jī)制仍然難以捉摸，多步電子傳遞反應(yīng)，其潛在的轉(zhuǎn)化機(jī)制仍然難以捉摸。從實(shí)驗(yàn)和理論角度來(lái)看，都需要進(jìn)一步闡明srr對(duì)增強(qiáng)轉(zhuǎn)化動(dòng)力學(xué)的催化作用。此外，還應(yīng)準(zhǔn)確分析srr過程中硫物種的結(jié)構(gòu)演變和催化劑活性。
4、因此，制備能夠同時(shí)解決多硫化物穿梭、分步催化轉(zhuǎn)化并很好的容納硫的宿主材料仍然面臨極大的挑戰(zhàn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本專利技術(shù)的目的在于提供一種正極宿主材料及其制備方法和應(yīng)用。本專利技術(shù)通過構(gòu)建多孔中空碳微球負(fù)載fe3o4-fete異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒催化劑作為硫宿主材料，其同時(shí)具備堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和豐富的催化位點(diǎn)，能夠很好的解決硫的負(fù)載和催化轉(zhuǎn)化問題。多孔中空結(jié)構(gòu)能夠很好的儲(chǔ)存硫，內(nèi)部負(fù)載的具有內(nèi)置電場(chǎng)的納米顆粒能夠起到硫的雙向催化轉(zhuǎn)化作用，同時(shí)多孔的外殼可以作為導(dǎo)電基底源源不斷的提供電子加速轉(zhuǎn)化。
2、為達(dá)此目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案：
3、第一方面，本專利技術(shù)提供一種正極宿主材料，所述正極宿主材料包括中空多孔微球，以及負(fù)載在所述中空多孔微球上的fe3o4-fete異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒。
4、本專利技術(shù)通過構(gòu)建多孔中空碳微球負(fù)載fe3o4-fete異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒催化劑作為硫宿主材料，其同時(shí)具備堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和豐富的催化位點(diǎn)，能夠很好的解決硫的負(fù)載和催化轉(zhuǎn)化問題。多孔中空結(jié)構(gòu)能夠很好的儲(chǔ)存硫，內(nèi)部負(fù)載的具有內(nèi)置電場(chǎng)的fe3o4-fete異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒能夠起到硫的雙向催化轉(zhuǎn)化作用，同時(shí)多孔的外殼可以作為導(dǎo)電基底源源不斷的提供電子加速轉(zhuǎn)化。
5、作為本專利技術(shù)一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述中空多孔微球的材質(zhì)包括碳。
6、優(yōu)選地，所述中空多孔微球的直徑為30-35μm，例如可以是30μm、31μm、32μm、33μm、34μm或35μm等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
7、優(yōu)選地，所述中空多孔微球的壁厚為1.5-2μm，例如可以是1.5μm、1.6μm、1.7μm、1.8μm、1.9μm或2μm等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
8、作為本專利技術(shù)一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述fe3o4-fete異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒的粒徑為15-22nm，例如可以是15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm或22nm等，但并不僅限于所列舉的數(shù)值，該數(shù)值范圍內(nèi)其他未列舉的數(shù)值同樣適用。
9、第二方面，本專利技術(shù)提供一種第一方面所述的正極宿主材料的制備方法，所述制備方法包括：
10、(1)將fe3o4納米顆粒分散于正己烷中，然后加入中空多孔微球前體進(jìn)行吸附，得到吸附產(chǎn)物；
11、(2)將所述吸附產(chǎn)物和te源進(jìn)行煅燒，得到所述正極宿主材料。
12、需要說明的是，所述吸附產(chǎn)物為吸附有fe3o4納米顆粒的中空多孔微球前體。
13、本專利技術(shù)采用高溫煅燒碲化的方法，通過調(diào)控納米顆粒的負(fù)載量、碲源的用量以及碲化的溫度來(lái)制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒負(fù)載在中空多孔碳微球的硫宿主材料，由于fe3o4納米顆粒表面保留了一些油酸，在煅燒的過程中碳化后可以很好的負(fù)載在微球的內(nèi)壁上，從而得到了具有高分散高負(fù)載量的宿主材料。
14、本方法工藝流程簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)。
15、作為本專利技術(shù)一種優(yōu)選的技術(shù)方案，所述fe3o4納米顆粒的表面包覆有油酸。
16、本專利技術(shù)中，由于fe3o4納米顆粒表面保留了一些油酸，在煅燒的過程中碳化后可以很好的負(fù)載在微球的內(nèi)壁上，從而得到具有高分散高負(fù)載量的宿主材料。
17、優(yōu)選地，所述fe3o4納米顆粒的制備方法包括：
18、(a)將四水氯化鐵、油酸鈉和溶劑混合，反應(yīng)后，得到油酸鐵；
19、(b)將所述油酸鐵、油酸和十八烯混合，反應(yīng)后，得到fe3o4納米顆粒。
20、本專利技術(shù)中，采用上述方法可制得表面包覆有油酸的fe3o4納米顆粒。
21、作為本專利技術(shù)一種優(yōu)選的技術(shù)方案，步驟(a)所述溶劑包括正己烷、水和乙醇；
22、優(yōu)選地，步驟(a)所述四水氯化鐵、油酸鈉和溶劑的質(zhì)量比為(18-25):(28-35):500，其中，四水氯化鐵的選擇范圍“18-25”例如可以是18、19、20、21、22、本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種正極宿主材料，其特征在于，所述正極宿主材料包括中空多孔微球，以及負(fù)載在所述中空多孔微球上的Fe3O4-FeTe異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極宿主材料，其特征在于，所述中空多孔微球的材質(zhì)包括碳；
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正極宿主材料，其特征在于，所述Fe3O4-FeTe異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒的粒徑為15-22nm。
4.一種權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的正極宿主材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述Fe3O4納米顆粒的表面包覆有油酸；
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟(a)所述溶劑包括正己烷、水和乙醇；
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述Te源包括Te粉；
8.根據(jù)權(quán)利要求4-7任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法具體包括：
9.一種正極材料，其特征在于，所述正極材料由權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的正極宿主材料和硫混合煅燒得到。
10.一種鋰硫電池
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種正極宿主材料，其特征在于，所述正極宿主材料包括中空多孔微球，以及負(fù)載在所述中空多孔微球上的fe3o4-fete異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正極宿主材料，其特征在于，所述中空多孔微球的材質(zhì)包括碳；
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的正極宿主材料，其特征在于，所述fe3o4-fete異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米顆粒的粒徑為15-22nm。
4.一種權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的正極宿主材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述f...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王寶，高一博，那向明，耿海濤，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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