一种用于组装高性能电池的纳米复合正极及其制备方法和应用与流程
本发明涉及锂离子电池，更具体地，涉及一种纳米硫碳复合正极及其制备方法和应用。
背景技术：
1、在过去的30年里，锂离子电池一直是电动汽车和电网规模储能市场的重要组成部分。然而，由于液体电解质含有可燃和易燃成分，其组成的电池有安全隐患。此外，它们的能量密度正逐渐接近理论极限。在这种情况下，用固态电解质代替易燃液体电解质来制造全固态电池已被视为提高能量密度和安全性的战略选择。
2、固态电解质可分为以下几种：聚合物电解质、氧化物电解质、硫化物电解质、氧化物电解质、卤化物电解质及其复合材料等固体电解质。液态锂硫电池由于其超高的能量密度(2600 wh· kg-1)，远远超过目前商用的氧化物正极锂离子电池，成为目前最受欢迎的储能设备之一。此外，由于锂硫电池主要使用s（硫）和li作为正极活性原料，因此生产成本相对较低，性价比高且环保。然而，它们的商业化发展受到几个问题的严重阻碍:(1)s和放电产物li2s的绝缘性能导致活性材料的利用率低;(2)有机液基电解质中中间多硫化物溶解造成的穿梭效应，导致活性物质损失，可充电性差;(3)电化学过程中s的体积膨胀严重，造成严重的结构破坏。
3、为了克服这些问题，研究人员已经做了很多工作，例如在负极内限制或吸收多硫化物，保护锂正极，将电解质浓缩或添加添加剂。然而，上述采用液体电解质的方法并不能完全解决存在的问题。用硫化物基固态电解质代替液态电解质构建全固态锂硫电池被认为是一种很有前途的有效解决方案，而其中复合正极的选择对构建正极-固态电解质界面起着重要作用，选择合适的正极是提升锂硫电池的性能的关键。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种纳米硫碳复合正极及其制备方法和应用。本发明所制得的纳米硫碳复合正极可用作锂硫电池的正极，可提高电池的倍率性能与循环稳定性，而且本发明提供的方法步骤简洁，能耗低，简便易操作。
2、本发明的第一方面提供一种纳米硫碳复合正极的制备方法。
3、具体地，一种纳米硫碳复合正极的制备方法，包括如下步骤：
4、将纳米硫/mwcnt、mwcnt- hno3分散到十二烷基苯磺酸钠(sdbs, ar)水溶液中，与此同时将硫溶解在四氢呋喃(thf)中得到饱和溶液。然后以上两种溶液混合搅拌，将悬浮液分离并用蒸馏水洗涤。然后将得到的固体进行真空干燥。然后，将合成的粉末与li6ps5clsse混合球磨，制得纳米硫碳复合正极。
5、本发明所制得的纳米硫碳复合正极被600nm-4μm纳米硫和lpscl颗粒均匀协同分散在层阶碳网络中。
6、优选地，所述纳米硫碳复合正极中用于混合的十二烷基苯磺酸钠(sdbs, ar)水溶液的质量分数为0.5-1%。
7、进一步优选地，所述纳米硫碳复合正极中混合的十二烷基苯磺酸钠(sdbs, ar)水溶液的质量分数为0.8-1%。
8、更优选地，所述纳米硫碳复合正极中混合的十二烷基苯磺酸钠(sdbs, ar)水溶液的质量分数1%。
9、优选地，所述真空干燥的温度为35-45℃，所需时间为12-14h。
10、优选地，所述溶液混合后处理方法包括如下步骤：
11、将悬浮液用溶剂洗涤，得到粉末与li6ps5cl sse混合后球磨。
12、优选地，所述的溶剂为蒸馏水或去离子水。
13、优选地，所述洗涤次数为3-5次。
14、优选地，所述球磨转速为250-310rpm，球磨时间为1-2h。
15、本发明的第二方面提供一种纳米硫碳复合正极，同时与商用lini0.8co0.1mn0.1o2(ncm811)进行对比。
16、一种纳米硫碳复合正极，该正极采用溶剂交换法将硫纳米粒子与多壁碳纳米管(mwcnts)熔接形成纳米杂化体，然后在复合正极中组装成导电网络。s@c复合正极被600 nm~4 μm纳米硫和lpscl颗粒均匀协同分散在层阶碳网络中。选择商用lini0.8co0.1mn0.1o2(ncm811，以下简称ncm)作为另一种正极材料，研究阴极-固态电解质（sse）界面输运特性，为了研究界面性能随循环的变化，特别是界面电阻的变化，采用原位电化学阻抗谱(原位电化学阻抗谱)和dft对s@c| lpscl@p(vdf-trfe)||li-in和ncm@c||lpscl@p(vdftrfe)||li-in进行了分析。
17、本发明的第三方面提供一种纳米硫碳复合正极的应用。
18、一种纳米硫碳复合正极在组装电池中的应用。
19、优选地，所述电池为金属二次离子电池。
20、优选地，所述金属二次离子电池为锂离子电池、锂硫电池中的一种。
21、一种金属二次离子电池，包括正极和负极，所述正极为所述纳米硫碳复合正极。
22、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
23、本发明将将纳米硫/mwcnt、mwcnt- hno3分散到十二烷基苯磺酸钠(sdbs, ar)水溶液中，与此同时将硫溶解在四氢呋喃(thf)中得到饱和溶液。然后以上两种溶液混合搅拌，将悬浮液分离并用蒸馏水洗涤。然后将得到的固体进行真空干燥。然后，将合成的粉末与li6ps5cl sse混合球磨，制得纳米硫碳复合正极。结构为层阶碳网络，所制得的纳米硫碳复合正极锂离子迁移势垒低。与此同时，该正极还能提升电池容量及循环稳定性，可满足大多数储能设备要求。
技术特征：
1.一种纳米硫碳复合正极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硫碳复合正极中的十二烷基苯磺酸钠的质量分数为1%，体积为150-210ml。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述四氢呋喃饱和溶液中硫的纯度为99%-99.8%，四氢呋喃饱和溶液所需体积为25-30ml。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述悬浮液中用蒸馏水洗涤次数为3-5次。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空干燥中温度为45-55℃，时长为12-14h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述合成的粉末与li6ps5cl sse混合质量比为6:4。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨转速为250-310rpm，时长为1-1.5h。
8.一种纳米硫碳复合正极，其特征在于，所述纳米硫碳复合正极采用溶剂交换法将硫纳米粒子与多壁碳纳米管(mwcnts)熔接形成纳米杂化体，然后在复合正极中组装成导电网络。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述电池为锂硫电池。
技术总结
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种纳米硫碳复合正极及其制备方法和应用。本发明采用溶剂交换法将硫纳米粒子与多壁碳纳米管(MWCNTs)熔接形成纳米杂化体，然后在复合正极中组装成导电网络。所制得纳米硫碳复合正极用作锂硫电池的正极，能保持颗粒密集堆积，颗粒间接触良好。因此可提高电池的倍率性能与循环稳定性。硫化物基固态电解质代替液态电解质构建全固态锂硫电池是一种有效解决方案，复合正极的选择对构建正极‑固态电解质界面起着重要作用，选择合适的正极是提升锂硫电池的性能的关键，本发明所制得的纳米硫碳正极与相应的固态电解质相结合，电极与电解质之间界面的形成更容易，电子分布更不均匀，更容易形成内电位，从而更有利于锂离子的扩散，能够使所组的锂硫电池的容量与循环稳定性达到一个新层次。
技术研发人员：刘思捷,涂展通
受保护的技术使用者：苏州思蕴镁能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23