一种高性能锂硫电池正极复合电极材料S/CuCo2S4/CNTs的制备方法及其应用,利用静电纺丝将MWCNTs均匀负载在纳米纤维骨架,再结合水热法掺杂Cu、Co双金属,制备复合电极材料S/CuCo2S4/CNTs,通过静电纺丝组装成一维碳材料并水热负载杂原子,增强MWCNTs的结构稳定性和电化学性能,同时利用硫修饰的作用,进一步增强离子/电子导电性,将其用于Li‑S电池载硫材料,改善电池的电化学性能,包括以下步骤:1、配置前驱液;2、制备MWCNTs/PAN纳米纤维溶液;3、静电纺PAN/MWCNTs纳米纤维膜;4、制备S/CuCo2S4/CNTs纳米纤维复合材料;5、制备复合电极材料S/CuCo2S4/CNTs。方法科学合理,易操作,通过彼此的加强或互补优异的电化学性能,制备了碳纳米管与双金属硫化物的三元复合材料,有显著的经济和社会效益。
背景技术
随着国内新能源汽车产能的快速增长,对更高性能电极材料的需求随着新能源领域的迅猛发展而持续增长。虽锂离子电池比容量已接近于理论极限,仍难以满足市场对更高容量电池日益增长的需求。在此背景下,人们将目光投向了高能量密度电极材料和新型锂二次电池体系,如锂硫电池等。
传统锂离子电池通过锂离子插层储能,而锂硫电池则基于固-液界面上多电子转移的LiPSs转化反应。这种机制赋予锂硫电池高理论比容量,但也因复杂的多电子、多相反应而面临诸多应用挑战。为了克服阻碍锂硫电池发展的问题,研究人员提出多种改进策略。其正极作为活性物质负载电极,在降低成本和简化工艺上具有优势。将单质硫与改性载体复合制备正极材料是目前热门的技术研究,根据载体种类可分为碳/硫、聚合物/硫和金属化合物/硫复合材料。
研究表明,碳基材料作为锂-硫电池正极主体,能抑制体积膨胀、传导电子,并使电解液充分润湿正极。通过与硫的强吸附作用来锚定多硫化锂,减轻穿梭效应,是锂硫电池正极材料的优选。Nazar等人开创性的把硫固定在CMK-3的规则结构中,实现了1320mAh g-1的高可逆比容量和高稳定性。自此,碳/硫复合材料研究逐渐增多。Lou等人创新性地设计了双层空心碳球结构,将硫限制其中,成功合成了新型碳/硫复合材料。这一结构不仅表现出柔韧性,还能有效地封装硫,抑制多硫化物向电解液扩散。Archer等人采用模板法成功合成中空介孔碳球作为硫的高效载体,其硫负载量高达70wt%。Yang等人利用Cu-MOF作为模板,成功制备出1D取向有序交联分级多孔碳纤维(CHPCFs),为离子和硫提供了储存空间同时为Li+
运输提供了快捷通道。Lei等人利用金属有机框架成功开发出一种NiCo2
S4
@C改性的功能隔膜材料,这种材料展现出良好的抑制锂离子扩散作用。1991年,日本科学家Iijima利用高分辨电子显微镜对电弧蒸发石墨产物进行细致观测,从而揭示了一种新型纳米尺度的碳晶体——碳纳米管(CNTs)。CNTs加入对复合材料的储硫性能的提升有很大的贡献。wang等人提出了一种3D膜,其中多壁碳纳米管(MWCNTs)由于电子电导率可忽略不计,即使当含量达到2.5wt%时也可作为交互式纳米填料而没有短路现象。虽然MWCNTs以其优异的机械强度、巨大的比表面积、卓越的导电性和电化学稳定性,在电化学领域中被广泛用作支撑材料。然而,当前MWCNTs的生产工艺存在严重缺陷,导致产品结构参数参差不齐,实际电导率远低于理论预期。此外,高表面能在电化学反应中易引发团聚现象,不但阻碍了MWCNTs在聚合物基体中的均匀分散,也影响结构稳定性。
但目前仍然缺乏对不同金属掺杂MWCNTs复合电极材料的详细实验设计与研究。因此,如何提高MWCNTs的结构稳定性并改善其电化学性能,使碳纳米管展现出更出色的电化学与力学性能,显著提升锂硫电池性能,成为当前研究的热点之一。单组分过渡金属硫化物作为电极有局限,如导电性差、不可逆容量损失和体积膨胀。为克服这些缺点,那么能否提供金属掺杂MWCNTs构筑复合电极材料的制备方法和性能调控策略,将重点研究金属掺杂MWCNTs的制备方法、结构表征和电化学性能评估;建立制备工艺、组分、结构与电化学性能之间的关系;通过调控金属掺杂浓度和掺杂方式,探索最佳的制备条件,复合不同的过渡金属硫化物得到多组分的新型复合电极材料(作为锂硫电池正极载硫材料),通过彼此的加强或互补表现出优异的电化学性能以此制备了碳纳米管与双金属硫化物的三元复合材料,利用多组分优势提升电化学性能,并评估多种金属掺杂MWCNTs复合电极材料在储能和转换领域的应用潜力呢?但至今未见有公开报道。
实现思路