一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用技術(shù)

一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于鋰硫電池正極材料制備領(lǐng)域。所述鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料為多層鋰基蒙脫土@硫復(fù)合層層疊得到的層狀結(jié)構(gòu)，相鄰復(fù)合層之間的間距為1.2nm～1.5nm，所述鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料中，鋰基蒙脫土與硫的質(zhì)量比為(0.1～0.6)：1。本發(fā)明專利技術(shù)對商業(yè)蒙脫土進行改性處理得到鋰基蒙脫土，然后在加熱爐內(nèi)反應(yīng)得到層狀的鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料，鋰基蒙脫土與多硫化物的強相互作用和層間鋰離子的擴散能大幅提升鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

A Lithium-based Montmorillonite @ Sulfur Composite and Its Preparation and Application

The invention relates to a lithium-based montmorillonite @ sulfur composite material and a preparation method and application thereof, belonging to the field of preparation of cathode materials for lithium-sulfur batteries. The lithium-based montmorillonite @ sulfur composite material is a layered structure formed by layers of multi-layer lithium-based montmorillonite @ sulfur composite. The spacing between adjacent layers is 1.2-1.5 nm. In the lithium-based montmorillonite @ sulfur composite material, the mass ratio of lithium-based montmorillonite to sulfur is (0.1-0.6):1. The invention modifies commercial montmorillonite to obtain lithium-based montmorillonite, and then reacts in a heating furnace to obtain layered lithium-based montmorillonite @ sulfur composite material. The strong interaction between lithium-based montmorillonite and polysulfides and the diffusion of lithium ions between layers can greatly improve the cycle stability and rate performance of lithium-sulfur batteries.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于鋰硫電池正極材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料和其制備方法，以及在鋰硫電池中的應(yīng)用。
技術(shù)介紹
隨著人類對能源的需求不斷增加，化石能源的無度攫取，造成石油資源日益枯竭，環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，特別是愈發(fā)加劇的全球氣候變化，嚴(yán)重影響了世界經(jīng)濟的發(fā)展和人類的生存，人們對新能源的需求愈發(fā)迫切。因此，開發(fā)可再生潔凈新能源，減少人類對化石資源的依賴，緩解二氧化碳排放增長所引起的全球氣候變化問題，對節(jié)約資源、減少環(huán)境污染及人類健康具有重要的意義。鋰-硫電池(Li-S)是鋰離子電池中最具前景的一種，其理論比容量和能量密度分別高達(dá)1675mAh/g和2600Wh/kg，是目前商業(yè)鋰電池的5-10倍，且單質(zhì)硫儲量豐富，價格低廉，被認(rèn)為是下一代極具潛力的二次電池系統(tǒng)。但是，鋰硫電池在氧化還原反應(yīng)過程中會生成易溶的中間產(chǎn)物多硫化鋰(Li2Sn，4≤n≤8)和鋰離子在硫寄主材料表面較差的擴散性能造成目前所制備的鋰硫電池普遍存在較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能等問題，制約著硫正極的商業(yè)化進展。優(yōu)良的硫寄主材料必須對多硫化物具有很高的吸附能從而抑制多硫化物溶解于電解液中，以達(dá)到提高循環(huán)穩(wěn)定性的作用。然而，目前傳統(tǒng)寄主材料——碳材料(如乙炔黑，SuperP，以及科琴黑等)只能為正極提供很好的導(dǎo)電性，對多硫化物吸附效果較差，所制備的鋰-硫電池存在嚴(yán)重的容量衰減。目前，為尋找合適的硫寄主材料，大量的文獻(xiàn)報導(dǎo)利用功能化的碳材料來抑制多硫化物溶解，達(dá)到提高循環(huán)性能的目的，如LinMa等報道了功能化的碳管材料用于鋰-硫電池(LinMa,HoulongL.Zhuang,ShuyaWei,KenvilleE.Hendrickson,MunSekKim,GilCohn,RichardG.Hennig,andLyndenA.Archer，ACSNano2016,10,1050-1059)，他們將極性分子聚乙烯亞胺(PEI)嫁接到碳納米管表面，利用PEI本身具備的化學(xué)官能團——氨基等來吸附多硫化鋰，類似地，JieLiu等將分子印刷聚合物(官能團為氨基)修飾在碳納米管表面來實現(xiàn)(JieLiu,TaoQian,MengfanWang,XuejunLiu,NaXu,YizhouYou,andChenglinYan，NanoLett.2017,17,5064-5070.)，然而高額的原材料成本，如碳納米管的制備，使得這些相關(guān)文章報道的方法均存在成本高昂、操作復(fù)雜、難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)等問題。除此之外，電池能量密度的高低也是判定鋰硫電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，在鋰硫電池正極體系中，高負(fù)載硫正極是提高電池能量密度的必要條件。隨著硫負(fù)載的增加(即極片厚度增加)，電解液潤濕極片的能力降低，鋰離子在正極片中不能快速遷移、交換，導(dǎo)致硫的氧化還原反應(yīng)過程緩慢，其結(jié)果則表現(xiàn)為高負(fù)載硫正極只能夠在低倍率情況下完成氧化還原反應(yīng)，一旦電流達(dá)到一定上限，正極片則會出現(xiàn)嚴(yán)重極化的現(xiàn)象，表現(xiàn)為不能正常充放電，并且隨著正極硫含量的增加，上面提及的問題將會被放大，導(dǎo)致高負(fù)載鋰-硫電池的倍率性能遠(yuǎn)差于低負(fù)載(<1mg/cm2)的倍率性能。目前，所制備的高硫負(fù)載電池所使用的充放電電流密度普遍低于5mA/cm2,表現(xiàn)為較差的倍率性能，例如LiuJie等在國際頂級期刊《納米快報》上面發(fā)表的文章(NanoLett.2018，DOI:10.1021/acs.nanolett.8b01882)，盡管該團隊所制備的鋰-硫電池負(fù)載達(dá)到了4.9mg/cm2，但其充放電電流密度僅為0.5mA/cm2，倍率性能較差。為提高高負(fù)載硫正極的倍率性能，大量的工作則主要為圍繞設(shè)計各種多孔材料來提供鋰離子通道，加快鋰離子的遷移速率，從而實現(xiàn)正極材料在高負(fù)載下倍率性能的提升。如HeJiarui等設(shè)計的多孔有機框架(J.He,Y.Chen,W.Lv,K.Wen,C.Xu,W.Zhang,Y.Li,W.Qin,W.He,ACSNano2016,10,10981.)；HaoGuangoing等設(shè)計的納米碳片結(jié)構(gòu)(G.P.Hao,C.Tang,E.Zhang,P.Zhai,J.Yin,W.Zhu,Q.Zhang,S.Kaskel,Adv.Mater.2017,29,1702829.)；SongJiangxuan等設(shè)計的氮摻的介孔碳(J.X.Song,M.L.Gordin,T.Xu,S.Chen,Z.X.Yu,H.Sohn,J.Lu,Y.Ren,Y.H.Duan,D.H.Wang,Angew.Chem.Int.Ed.2015,54,4325)。這些工作在一定程度上提高了鋰-硫電池的倍率性能，能達(dá)到13.9mA/cm2，但仍需要進一步提高。中國專利CN106374095A公布了一種作為鋰-硫電池正極復(fù)合材料的制備方法，利用層狀材料結(jié)構(gòu)，盡管在性能上得到了一定的提升，但該專利過程極其復(fù)雜，需要利用強酸強堿對層狀材料剝離與聚合來實現(xiàn)嵌插硫材料于層間，過程相對復(fù)雜，控制變量較多，成本高不利于商業(yè)需求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對
技術(shù)介紹
中存在的缺陷，提出了一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。未經(jīng)過改性的蒙脫土層間存在各種尺寸不一的金屬陽離子(如Mg2+,Ca2+等)，不僅造成蒙脫土層扭曲，而且這些金屬陽離子會占據(jù)鋰離子遷移的位點，使得鋰離子在層間的擴散受阻，不利于倍率性能的提升。本專利技術(shù)對商業(yè)蒙脫土進行改性處理得到鋰基蒙脫土，然后在加熱爐內(nèi)反應(yīng)得到層狀的鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料，鋰基蒙脫土與多硫化物的強相互作用和層間鋰離子的擴散能大幅提升鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料為多層鋰基蒙脫土@硫復(fù)合層層疊得到的層狀結(jié)構(gòu)，相鄰復(fù)合層之間的間距為1.2nm～1.5nm，所述鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料中，鋰基蒙脫土與硫的質(zhì)量比為(0.1～0.6)：1。進一步地，所述鋰基蒙脫土是通過改性處理得到的，具體過程為：首先，將蒙脫土均勻分散于溶劑中得到分散液A，其中，分散液A中蒙脫土的濃度為0.05g/mL～0.3g/mL；然后，按照質(zhì)量比為蒙脫土：鋰改性材料＝(0.5～2)：1的比例稱取鋰改性材料，將所稱取的鋰改性材料加入步驟1得到的分散液A中，攪拌混合均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為50rpm～200rpm，攪拌時間為1h～12h；最后，攪拌結(jié)束后，分離，得到的產(chǎn)物經(jīng)洗滌、冷凍干燥后，得到鋰基蒙脫。一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：步驟1：將蒙脫土均勻分散于溶劑中得到分散液A，其中，分散液A中蒙脫土的濃度為0.05g/mL～0.3g/mL；步驟2：按照質(zhì)量比為蒙脫土：鋰改性材料＝(0.5～2)：1的比例稱取鋰改性材料，將所稱取的鋰改性材料加入步驟1得到的分散液A中，攪拌混合均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為50rpm～200rpm，攪拌時間為1h～12h；步驟3：攪拌結(jié)束后，分離，得到的產(chǎn)物經(jīng)洗滌、冷凍干燥后，得到鋰基蒙脫；步驟4：將步驟3得到的鋰基蒙脫土在80～100℃下干燥，然后按照質(zhì)量比為鋰基蒙脫土：硫粉＝(0.1～0.6)：1的比例添加硫粉，混合均勻后，將混合粉料置于密閉器皿中并放入加熱爐中，在150～250℃下反應(yīng)6～本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料為多層鋰基蒙脫土@硫復(fù)合層形成的層狀結(jié)構(gòu)，相鄰復(fù)合層之間的間距為1.2nm～1.5nm，所述鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料中，鋰基蒙脫土與硫的質(zhì)量比為(0.1～0.6)：1。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料為多層鋰基蒙脫土@硫復(fù)合層形成的層狀結(jié)構(gòu)，相鄰復(fù)合層之間的間距為1.2nm～1.5nm，所述鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料中，鋰基蒙脫土與硫的質(zhì)量比為(0.1～0.6)：1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料，其特征在于，所述鋰基蒙脫土是通過改性處理得到的，具體過程為：首先，將蒙脫土均勻分散于溶劑中得到分散液A，其中，分散液A中蒙脫土的濃度為0.05g/mL～0.3g/mL；然后，按照質(zhì)量比為蒙脫土：鋰改性材料＝(0.5～2)：1的比例稱取鋰改性材料，將所稱取的鋰改性材料加入步驟1得到的分散液A中，攪拌混合均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為50rpm～200rpm，攪拌時間為1h～12h；最后，攪拌結(jié)束后，分離，得到的產(chǎn)物經(jīng)洗滌、冷凍干燥后，得到鋰基蒙脫。3.一種鋰基蒙脫土@硫復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：步驟1：將蒙脫土均勻分散于溶劑中得到分散液A，其中，分散液A中蒙脫土的濃度為0.05g/mL～0.3g/mL；步驟2：按照質(zhì)量比為蒙脫土：鋰改性材料＝(0.5～2)：1的比例稱取鋰改性材料，將所稱取的鋰改性材料加入步驟1得到的分散液A中，攪拌混合均勻，攪拌轉(zhuǎn)速為50rpm～200rpm，攪拌時間為1h～12h；步驟3：攪拌結(jié)束后，分離，得到的產(chǎn)物經(jīng)洗滌、冷凍干燥，得到鋰基蒙脫土；步驟...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：熊杰，陳偉，雷天宇，胡音，李政翰，呂曉雪，閆裔超，鄔春陽，
申請(專利權(quán))人：電子科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：四川,51