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一種鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法及其應(yīng)用與流程

文檔序號(hào):40544480發(fā)布日期:2025-01-03 11:03閱讀:11來(lái)源:國(guó)知局
一種鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法及其應(yīng)用與流程

本發(fā)明屬于鋰硫電池,具體涉及一種鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法及其應(yīng)用。


背景技術(shù):

1、隨著社會(huì)和科技水平的高速發(fā)展,人們對(duì)能源的需求也隨之逐步增加?,F(xiàn)有的儲(chǔ)能體系中,鋰離子電池體系的實(shí)際能量密度已接近其理論值,限制了其在高能量密度市場(chǎng)的發(fā)展。在新型的儲(chǔ)能設(shè)備中,鋰硫電池因其較高的理論比容量(1675?mah/g)和理論比能量(2600mah/g),成本低和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)引起了研究人員的廣泛關(guān)注,被認(rèn)為是極具前景的下一代電池體系。然而鋰硫電池仍然存在一些技術(shù)難題,如多硫化物的穿梭效應(yīng)、硫的導(dǎo)電性差以及充放電過(guò)程的體積膨脹等,這些問(wèn)題的存在影響了鋰硫電池電化學(xué)性能,阻礙了其進(jìn)一步發(fā)展。

2、近年來(lái),使用自支撐基底制備無(wú)粘結(jié)劑的電極方法正在引起研發(fā)人員的關(guān)注。傳統(tǒng)的涂布電極需添加粘結(jié)劑,而且材料在受力不均的情況下會(huì)損失容量,柔性自支撐電極不使用有機(jī)溶劑和粘結(jié)劑,對(duì)環(huán)境友好,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)易調(diào)控,能有效抑制硫膨脹并吸附多硫化物,而且其較好的機(jī)械性能可以使得儲(chǔ)能器件在外力作用下不被破壞。以碳納米管、石墨烯、多孔碳為代表的碳材料,其成本低、機(jī)械性能高、具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)電性,是理想的柔性自支撐電極基底材料。公開號(hào)為cn110438798a中國(guó)專利文件,公開了一種鋰硫電池自支撐正極材料及其電紡絲制備方法,該材料沒(méi)有其他極性金屬化合物的摻雜,無(wú)法進(jìn)一步提高材料的電導(dǎo)率或催化多硫化鋰轉(zhuǎn)化。公開號(hào)為cn114695888b中國(guó)專利文件,公開了一種碳納米纖維復(fù)合材料及其制備方法、應(yīng)用,制備出由zif-8衍生的多孔碳多面體修飾的碳納米纖維復(fù)合材料,該材料只涉及到一種金屬,在提高電池性能方面效果有限。


技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供了一種鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法及其應(yīng)用,本方法所制備的材料具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性,能提高鋰硫電池的電化學(xué)性能。

2、為了解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:

3、一方面,本發(fā)明提供的一種鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法,包括以下步驟:

4、((1)在n,n-二甲基甲酰胺中加入模板劑、鈷鹽a、碳源,得到紡絲溶液,將紡絲溶液通過(guò)靜電紡絲得到纖維氈;

5、(2)將纖維氈干燥后,在保護(hù)氣體氛圍下煅燒,制得多孔碳納米纖維;

6、(3)將鈷鹽b、鋅鹽、2-甲基咪唑溶解在甲醇中,反應(yīng)制得懸濁液a,將懸濁液a離心分離得到固體a,將固體a洗滌、干燥得到co-zif-8粉末,將co-zif-8粉末分散于乙醇中,得到co-zif-8的乙醇懸濁液;

7、(4)將多孔碳納米纖維蘸取co-zif-8的乙醇懸濁液,取出后,干燥,在保護(hù)氣體氛圍下煅燒,制得鈷/氧化鋅多孔碳修飾的碳納米纖維材料(co/zno-nc@cnf);

8、(5)將s/cs2溶液滴加在鈷/氧化鋅多孔碳修飾的碳納米纖維材料上,再對(duì)其進(jìn)行熱處理,制得鋰硫電池自支撐正極材料。

9、優(yōu)選地,步驟(1)中,模板劑為聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一種;鈷鹽a為乙酸鈷或硝酸鈷中的任意一種;碳源為聚丙烯腈或聚乙烯醇中的至少一種,n,n-二甲基甲酰胺、鈷鹽a、碳源和模板劑的質(zhì)量比為9-19:0.5-1:1:0.4-1。

10、優(yōu)選地,步驟(2)中,煅燒過(guò)程為,控制升溫速率為2-5℃/min升溫至600-800℃,并保溫3-6h;

11、優(yōu)選地,步驟(3)中,鈷鹽b為乙酸鈷或硝酸鈷中的任意一種;鋅鹽為硝酸鋅或乙酸鋅中的任意一種,鈷鹽b、鋅鹽、2-甲基咪唑的摩爾比為1:1:2-4,甲醇溶液中鈷鹽b、鋅鹽、2-甲基咪唑的濃度之和為4-6mol/l;co-zif-8的乙醇懸濁液中,co-zif-8的質(zhì)量百分比為0.5%-1%;

12、優(yōu)選地,步驟(4)中,煅燒過(guò)程為,控制升溫速率為1-2℃/min升溫至550-700℃,并保溫8-12h;

13、優(yōu)選地,步驟(5)中s/cs2溶液的濃度為1-2mol/l;熱處理溫度為155-170℃,熱處理時(shí)間為12-16h;

14、另一方面,本發(fā)明提供一種上述方法制備的鋰硫電池自支撐正極材料的應(yīng)用,將鋰硫電池自支撐正極材料應(yīng)用于鋰硫電池正極。

15、本發(fā)明的有益效果在于:

16、本發(fā)明的技術(shù)方案,首先通過(guò)靜電紡絲和煅燒處理形成具有多孔結(jié)構(gòu)的多孔碳納米纖維,該結(jié)構(gòu)形成的柔性三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),不僅提高了材料的導(dǎo)電性,而且提供了順暢的離子遷移通道,也對(duì)單質(zhì)硫起到吸附作用提高了材料的載硫量;自支撐材料避免了粘合劑和導(dǎo)電劑的使用,對(duì)環(huán)境友好,具有較好的機(jī)械性能,能夠有效緩沖充放電過(guò)程中的體積變化,提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

17、2.本發(fā)明制備的多孔碳納米纖維,具有金屬鈷的摻雜,提高了導(dǎo)電性以及對(duì)多硫化鋰的錨定能力,并加快了氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

18、3.co-zif-8熱解后形成的多面體多孔碳(co/zno-nc)具有高比表面積和豐富的孔結(jié)構(gòu),有利于活性物質(zhì)硫的均勻分布,同時(shí)提供強(qiáng)力的固硫作用以及充分的電極/電解液接觸;其次co和zno改善了導(dǎo)電性,雙金屬串聯(lián)能夠在硫還原氧化過(guò)程不同階段起作用,能夠加速多硫化物吸附-催化-轉(zhuǎn)化,以上優(yōu)勢(shì)共同作用,提升了鋰硫電池的電化學(xué)性能。

19、4.本發(fā)明制備的鋰硫電池自支撐正極材料在0.5c的電流密度下的首圈放電比容量為1218.4-1221.3mah/g,循環(huán)100圈后其容量保持率為93.3%-95.6%;



技術(shù)特征:

1.一種鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法,其特征在于,包括如下步驟:

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法,其特征在于,所述步驟(1)中,模板劑為聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯中的至少一種;鈷鹽a為乙酸鈷或硝酸鈷中的任意一種;碳源為聚丙烯腈或聚乙烯醇中的至少一種;n,n-二甲基甲酰胺、鈷鹽a、碳源和模板劑的質(zhì)量比為9-19:0.5-1:1:0.4-1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法,其特征在于,所述的步驟(2)中,煅燒過(guò)程為,控制升溫速率為2-5℃/min升溫至600-800℃,并保溫3-6h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法,其特征在于,所述的步驟(3)中,鈷鹽b為乙酸鈷或硝酸鈷中的任意一種;鋅鹽為硝酸鋅或乙酸鋅中的任意一種,鈷鹽b、鋅鹽、2-甲基咪唑的摩爾比為1:1:2-4,甲醇溶液中鈷鹽b、鋅鹽、2-甲基咪唑的濃度之和為4-6mol/l;co-zif-8的乙醇懸濁液中,co-zif-8的質(zhì)量百分比為0.5%-1%。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法,其特征在于,所述的步驟(4)中,煅燒過(guò)程為,控制升溫速率為1-2℃/min升溫至550-700℃,并保溫8-12h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法,其特征在于,所述的步驟(5)中,s/cs2溶液的濃度為1-2mol/l;熱處理溫度為155-170℃,熱處理時(shí)間為12-16h。

7.一種如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的制備方法制備的鋰硫電池自支撐正極材料的應(yīng)用,其特征在于,將所述的鋰硫電池自支撐正極材料應(yīng)用于鋰硫電池正極。


技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種鋰硫電池自支撐正極材料的制備方法及其應(yīng)用,首先利用靜電紡絲和碳熱處理得到的具有多孔結(jié)構(gòu)的自支撐原位氮摻雜碳納米纖維(PCNF),之后將PCNF浸漬在Co?ZIF?8的乙醇溶液中,通過(guò)煅燒得到鈷/氧化鋅?氮摻雜多孔碳修飾的碳納米纖維材料(Co/ZnO?NC@PCNF)。該方法制備的自支撐正極材料,不需要使用粘結(jié)劑,具有良好的機(jī)械性能,且提供了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和順暢的離子遷移通道,其次Co/ZnO?NC對(duì)多硫化物具有化學(xué)吸附和催化轉(zhuǎn)化雙重作用,有效緩解了穿梭效應(yīng),提高了鋰硫電池性能。

技術(shù)研發(fā)人員:李蘭新,亓薇,王夢(mèng)真,董建紅,國(guó)欽瑞,徐龍軍,王琳琳,朱榮振,劉建路
受保護(hù)的技術(shù)使用者:山東海化集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日:
技術(shù)公布日:2025/1/2
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