一种二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料、其制备方法与应用
阅读：1发布：2020-06-10
专利汇可以提供一种二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料、其制备方法与应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提供了一种二硫化钴/ 碳 纳米 纤维 /硫 复合材料 ，由碳纳米纤维、二硫化钴纳米颗粒和硫组成；所述碳纳米纤维表面复合有紧密、有序排列的二硫化钴纳米颗粒，所述碳纳米纤维与所述二硫化钴纳米颗粒形成玉米棒状结构；所述硫负载于所述玉米棒状结构中。本 申请 还提供了上述复合材料的制备方法与应用。本申请提供的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料具有独特的玉米棒状纳米结构，由此使得该复合材料具有化学 吸附 和 氧 化还原催化能 力 ，直接应用于锂硫 电池 中，充放电循环中提供了较高的 质量 比容量 和长循环性能。，下面是一种二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料、其制备方法与应用专利的具体信息内容。
1.一种二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料，由碳纳米纤维、二硫化钴纳米颗粒和硫组成；所述碳纳米纤维表面复合有紧密、有序排列的二硫化钴纳米颗粒，所述碳纳米纤维与所述二硫化钴纳米颗粒形成玉米棒状结构；所述硫负载于所述玉米棒状结构中。
2.根据权利要求1所述的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料，其特征在于，所述碳纳米纤维的直径为1～3μm，所述二硫化钴纳米颗粒的直径为10～30nm，所述硫的负载量为2～
10mg·cm-2。
3.权利要求1所述的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：
A)将钴盐、硫源化合物和多孔碳纳米纤维在溶剂中混合，水热反应，得到初始复合材料；
B)将所述初始复合材料与硫粉混合后进行退火处理，得到二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多孔碳纳米纤维由碳纳米纤维活化造孔得到；所述碳纳米纤维活化造孔的方法具体为：
将碳纳米纤维浸泡在碱液中5～15h，将浸泡后的碳气凝胶于40～150℃下干燥5～18h；
将干燥后的碳气凝胶置于惰性气体环境中进行高温热处理；所述惰性气体为氮气和氮气中一种或两种，所述热处理的温度为500～1000℃，热处理的时间为0.5～8h。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐选自四水合草酸钴、乙酸钴、六水合氯化钴、七水合硫酸钴和六水合硝酸钴中的一种或多种；所述硫源化合物为硫脲；所述溶剂为乙二醇。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述钴盐和所述硫源化合物的质量比为(0.01～5.5)：1；所述多孔碳纳米纤维的质量与所述钴盐和所述硫源化合物的总质量的比例为0.01～5:1；所述硫粉与所述初始复合材料的质量比为(0.1～8)：1。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为100～200℃，时间为5～24h。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理处理前包括：将混合后的混合物真空密封，压力低于100Pa。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述退火处理的升温速率为2～8℃/min，温度为100～300℃，时间为1～25h。
10.一种锂硫电池，包括正极和负极，其特征在于，所述正极的材料为权利要求1～2任一项所述的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料或权利要求3～9任一项所述的制备方法所制备的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
一种二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料、其制备方法与应用
技术领域
背景技术
[0002] 锂硫电池以硫为正极反应物质，锂为负极；放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的放电电压；在外加电压作用下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。根据单位质量的单质硫完全变为S2-所能提供的电量，可得出硫的理论放电质量比容量为1675mAh/g，同理可得出单质锂的理论放电质量比容量为3860mAh/g；锂硫电池的理论放电电压为2.287V，当硫与锂完全反应生成硫化锂(Li2S)时，相应锂硫电池的理论放电质量比能量为2600Wh/kg，这是目前主流的三元锂电池220Wh/kg的比能量的10倍。此外，锂硫电池采用单质硫作为正极材料，成本低廉，具有很大的市场前景。
[0003] 但是仍然有很多问题阻碍了锂硫电池的大规模应用，主要有两个方面的技术问题：1)单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低(5.0×10-30S·cm-1)，反应的最终产物Li2S2和Li2S也是电子绝缘体，不利于电池的高倍率性能；2)锂硫电池的中间放电产物会溶解到有机电解液中，增加电解液的黏度，降低离子导电性，多硫离子能在正负极之间迁移，导致活性物质损失和电能的浪费，溶解的多硫化物会跨越隔膜扩散到负极，与负极反应，破坏了负极的固体电解质界面膜(SEI膜)。
[0004] 为了改善锂硫电池和多硫化物的穿梭效应和短链多硫化物的低反应活性这两个突出的问题，学者们对此开展了大量的研究。硫化钴是一种独特的过渡金属硫化物，具有立方晶型和优异的金属导电性，被广泛应用于超级电容器、析氢反应和析氧反应的催化材料以及锂离子电池的负极材料。但是将二硫化钴应用于锂硫电池正极材料的催化和化学吸附双重功能化设计的相关研究很少。
[0005] 英文文献Journal of Power Sources 325(2016):71-78中，作者报道了一种二硫化钴/碳纸复合材料用于锂硫电池正极中的多硫化物的化学吸附剂。作者先将氢氧化钴化学沉积在碳纸表面，然后高温硫化得到二硫化钴/碳纸复合材料，然后将硫熔融渗透到上述复合材料中，最终得到二硫化钴/碳纸/硫复合正极材料。该材料用于锂硫电池的正极时，表现出很好的电化学性能。在小电流0.2C充放电情况下，电池的首圈容量高达1200mAh/g，循环到200圈后，容量降为800mAh/g。但是当电流增大到0.5C时，容量仅为810mAh/g，说明该材料的大电流循环性能较为一般。并且该文献的方法材料化学沉积进行制备，不仅耗时而且每批次生产的量很少，很难在工业生产上广泛应用和推广。
[0006] 英文文献ElectrochimicaActa 218(2016):243-251中，报道了一种硫/二硫化钴/碳复合材料用于锂硫电池正极；作者采用ZIF-67作为模板，经过一系列处理过程将二硫化钴附着在模板上，然后用强酸将模板洗掉，最后硫化得到复合材料。与传统的碳硫复合材料相比，上述材料的电化学性能优异，在大电流0.5C情况下，300圈循环后的容量仍然有600mAh/g的容量；说明该复合材料对多硫化物的化学吸附能力非常优异，长循环的稳定性很好。但是该材料对锂硫电池中硫的利用率不高，容量并没有完全发挥出来，很多单质硫在电池内部以“死硫”的状态存在，并不能参与锂离子的脱嵌氧化还原反应；并且该方法得到的复合材料的产率不高，方法复杂，需要牺牲模板，在工业推广应用上具有很大的难度。
[0007] 综合已有的专利和文献资料可以看出，目前锂硫离子电池负极材料存在着制备工序复杂、材料制备产率低、长循环性能一般以及硫的利用率低等问题。因此现在急需设计一种简单的制备方法，得到具有双重功能的(化学吸附能力和氧化还原催化能力)二硫化钴和硫复合正极材料。
发明内容
[0008] 本发明解决的技术问题在于提供一种具有优异化学吸附能力和氧化还原能力的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
[0009] 有鉴于此，本申请提供了一种二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料，由碳纳米纤维、二硫化钴纳米颗粒和硫组成；所述碳纳米纤维表面复合有紧密、有序排列的二硫化钴纳米颗粒，所述碳纳米纤维与所述二硫化钴纳米颗粒形成玉米棒状结构；所述硫负载于所述玉米棒状结构中。
[0010] 优选的，所述碳纳米纤维的直径为1～3μm，所述二硫化钴纳米颗粒的直径为10～30nm，所述硫的负载量为2～10mg·cm-2。
[0011] 本申请还提供了所述的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013] B)将所述初始复合材料与硫粉混合后进行退火处理，得到二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
[0014] 优选的，所述多孔碳纳米纤维由碳纳米纤维活化造孔得到；所述碳纳米纤维活化造孔的方法具体为：
[0015] 将碳纳米纤维浸泡在碱液中5～15h，将浸泡后的碳气凝胶于40～150℃下干燥5～18h；
[0018] 优选的，所述钴盐和所述硫源化合物的质量比为(0.01～5.5)：1；所述多孔碳纳米纤维的质量与所述钴盐和所述硫源化合物的总质量的比例为0.01～5:1；所述硫粉与所述初始复合材料的质量比为(0.1～8)：1。
[0019] 优选的，所述水热反应的温度为100～200℃，时间为5～24h。
[0020] 优选的，所述退火处理处理前包括：将混合后的混合物真空密封，压力低于100Pa。
[0021] 优选的，所述退火处理的升温速率为2～8℃/min，温度为100～300℃，时间为1～25h。
[0022] 本申请还提供了一种锂硫电池，包括正极和负极，其特征在于，所述正极的材料为所述的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料或所述的制备方法所制备的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
[0023] 本申请提供的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料具有独特的玉米棒状纳米结构，赋予了该复合材料独特的双功能化特点：碳纳米纤维作为导电通道和支撑骨架，具有很好的电子电导能力，有利于锂离子和硫的电子交换，加速反应的进程；在碳纳米纤维表面生长的二硫化钴纳米颗粒具有优异的半导体性质，经过纳米化设计后表现出了对硫和硫化锂的电催化转化性能，改善了锂硫电池中硫和硫化锂低反应活性的问题；并且二硫化钴具有很强的化学吸附特征，对多硫化物具有吸附限制作用，抑制了多硫化物在电池内部的穿梭效应，提高了电池的循环稳定性。进一步的，本申请复合材料的玉米棒状纳米结构使其具有很高的硫负载量，高硫负载意味着其可使锂硫电池具有更高的能量密度，有利于提高电池的续航能力。附图说明
[0024] 图1为本发明制备二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的流程示意图；
[0025] 图2为本发明实施例1制备的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的SEM照片；
[0026] 图3为本发明实施例1制备的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的透射电镜图；
[0027] 图4为本发明实施例2制备的二硫化钴/碳纳米纤维材料的XRD图；
[0028] 图5为本发明实施例2制备的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的XRD图；
[0029] 图6为本发明实施例2制备的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料作为锂硫电池正极的长循环性能曲线图；
[0030] 图7为本发明实施例2制备的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的光谱曲线图。
具体实施方式
[0032] 鉴于现有技术的锂硫电池中缺少具有双重功能(化学吸附能力和氧化还原催化能力)的二氧化钴和硫复合材料，本申请提供了一种二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料，该复合材料由于特殊的玉米棒状形貌，其以多孔碳纳米纤维作为导电和结构骨架，在其上均匀生长紧密排布的硫化钴纳米颗粒，且具有高硫负载量，由此使得复合材料具有上述双重功能，且具有优异的电化学性能。具体的，本发明实施例公开了二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料，由碳纳米纤维、二硫化钴纳米颗粒和硫组成；所述碳纳米纤维表面复合有紧密、有序排列的二硫化钴纳米颗粒，所述碳纳米纤维与所述二硫化钴纳米颗粒形成玉米棒状结构；所述硫负载于所述玉米棒状结构中。
[0033] 在上述二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料中，碳纳米纤维作为导电通道和支撑骨架，具有很好的电子电导能力，有利于锂离子和硫的电子交换，加快反应的进程；所述碳纳米纤维的直径为1～3μm。在上述复合材料中，所述二硫化钴纳米颗粒在碳纳米纤维表面生长，二硫化钴纳米颗粒一个连着一个，组成了以碳纳米纤维为“玉米棒”结构上的“玉米粒”，具有明显的有序阵列分布结构，且无明显团聚现象。所述二硫化钴纳米颗粒在复合材料中具有两个作用，一是对锂硫电池产生的多硫化物的化学吸附作用，从而大大抑制多硫化物的穿梭效应，二是对硫和硫化锂的化学催化转化作用，提高锂硫电池中硫的利用率。所述二硫化钴纳米颗粒的直径为10～30nm。碳纳米纤维与二硫化钴纳米颗粒形成的独特的玉米棒状纳米结构具有很高的硫负载量，其高负载量可达2～10mg·cm-2。高硫负载意味着锂硫电池具有更高的能量密度，有利于提高电池的续航能力，解决里程焦虑。高硫负载的实现得益于材料独特的纳米结构设计和双功能化二硫化钴纳米颗粒的制备，从而可以充分发挥硫的储锂能力。
[0034] 本申请还提供了上述复合材料的制备方法，其具体流程如图1所示，即碳纳米纤维化学活化-二硫化钴在多孔碳纳米纤维表面生长-渗硫-具有催化转化和化学吸附的复合材料，具体包括以下步骤：
[0035] A)将钴盐、硫源化合物和多孔碳纳米纤维在溶剂中混合，水热反应，得到初始复合材料；
[0036] B)将所述初始复合材料与硫粉混合后进行退火处理，得到二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
[0037] 在制备复合材料的过程中，首先将钴盐、硫源化合物和多孔碳纳米纤维在溶剂中混合，水热反应，即得到初始复合材料；在此过程中，首先进行原料的准备，多孔碳纳米纤维由碳纳米纤维活化造孔得到，所述活化造孔具体是化学活化造孔，具体为：
[0038] 将碳纳米纤维浸泡在碱液中5～15h，将浸泡后的碳气凝胶于40～150℃下干燥5～18h；
[0039] 将干燥后的碳气凝胶置于惰性气体环境中进行高温热处理；所述惰性气体为氮气和氮气中一种或两种，所述热处理的温度为500～1000℃，热处理的时间为0.5～8h。
[0040] 在上述过程中，所述碱液选自本领域技术人员熟知的碱液，在具体实施例中，所述碱液选自氢氧化钾溶液，其浓度为0.1mol/L～3.8mol/L。
[0041] 在多孔碳纳米纤维制备得到之后，则将钴盐和硫源化合物溶于溶剂中，得到均匀溶液，再将多孔碳纳米纤维与溶液混合，水浴反应，得到初始复合材料；在上述过程中，钴离子和硫源化合物在静电作用下相互吸引，再在多孔碳纳米纤维表面的纳米孔上进行成核生长，从而在碳纳米纤维表面形成有序排列的二硫化钴纳米粒子，构成了以碳纳米纤维为导电通道，二硫化钴纳米粒子为催化剂和化学吸附剂的玉米棒状纳米结构。所述钴盐为本领域技术人员熟知的钴盐，示例的，所述钴盐选自四水合草酸钴、乙酸钴、六水合氯化钴、七水合硫酸钴和六水合硝酸钴中的一种或多种。所述硫源化合物为本领域技术人员熟知的硫源化合物，在具体实施例中，所述硫源化合物选自硫脲。所述钴盐和所述硫源化合物的质量比为(0.01～5.5)：1。所述溶剂为乙二醇。所述钴盐和所述硫源化合物混合的过程中，所述混合的温度为25～70℃，时间为5～60min，且过程中不断搅拌。所述多孔碳纳米纤维的质量与所述钴盐和所述硫源化合物的总质量的比例为0.01～5:1。所述水热反应的温度为100～200℃，时间为5～24h；在具体实施例中，所述水热反应的温度为120～180℃，时间为8～
12h。在反应之后，将得到的产物过滤，并清洗干燥，即得到纯净的初始复合材料；所述过滤为抽滤，所述清洗采用乙醇、甲醇、丙酮和水中的一种或多种，清洗次数为1～5次；所述干燥的方式为烘箱干燥，所述干燥的温度为40～100℃，时间为5～48h。
12h。在反应之后，将得到的产物过滤，并清洗干燥，即得到纯净的初始复合材料；所述过滤为抽滤，所述清洗采用乙醇、甲醇、丙酮和水中的一种或多种，清洗次数为1～5次；所述干燥的方式为烘箱干燥，所述干燥的温度为40～100℃，时间为5～48h。
[0042] 在得到初始复合材料之后，则将其与硫粉混合后进行退火处理，得到二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料；在此过程中，在所述初始复合材料中渗硫，以实现初始复合材料中硫的负载，由于初始复合材料特殊的玉米棒状结构，而使得硫的负载量高。所述硫粉与所述初始复合材料的质量比为(0.1～8)：1。所述退火处理之前，将硫粉与初始复合材料真空封装，更具体的，所述真空封装采用石英玻璃管封管，管内压力低于100Pa。所述退火处理的升温速率为2～8℃/min，温度为100～300℃，时间为1～25h。
[0043] 在上述制备过程中，为保证二硫化钴纳米粒子能够在碳纳米纤维表面均匀和充分生长，碳纳米纤维与钴盐和硫源化合物溶液要充分浸泡。同时多孔碳纳米纤维要充分分散在溶液中，以保证生长均匀牢固。此外，真空封管的内压力要低于100Pa，否则大量空气吸附在多孔的玉米棒复合材料内部不能成功脱出，会导致硫物质在复合材料内的分布不均匀，造成局部堆积严重，影响电子和离子传导速率。
[0044] 本发明制备方法简单，仅仅需要两步，即A)溶液静置反应和B)硫化处理，反应条件温和，制备周期短，产率稳定。以实施例2制备的复合材料，二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合正极材料的扫描电镜图如图2所示，从图2可以看出，该复合材料的纳米结构如同玉米棒，碳纳米纤维上密密麻麻有序排列着大量二硫化钴纳米颗粒，如图2(c)所示；二硫化钴纳米颗粒直径约为15～25nm，有利于增大与硫的接触面积，提高催化反应活性和化学吸附能力。为了能更加清楚地辨识碳纳米纤维和其表面的二硫化钴纳米颗粒，对该材料进行了透射电镜测试，如图3所示；由图3可以很清楚地区分二硫化钴纳米粒子和碳纳米纤维组成的基本骨架结构；二硫化钴纳米颗粒一个连着一个，组成了“玉米棒”结构上的“玉米粒”，表现出了明显的有序阵列分布结构，无明显团聚现象出现。二硫化钴纳米颗粒的物相确认采用了X射线衍射分析，如图4所示为二硫化钴/碳纳米纤维复合材料的X射线衍射图谱，由此可知，二硫化钴/碳纳米纤维复合材料与标准二硫化钴XRD卡片相对应；说明复合材料确实为二硫化钴材料，且XRD图谱未表现出其他的杂质衍射峰，其纯度很高，不含其他杂质的成分；当负载硫之后，得到了最终的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合正极材料，其XRD的衍射图谱如图5所示；很显然，在渗硫之后，硫单质的衍射峰非常明显，硫的衍射峰强度已经远远超过了二硫化钴的晶体衍射峰强度，说明该复合材料上的硫负载量很大，有利于大大提高锂硫电池的能量密度。
[0045] 为了测试该复合材料在锂硫电池中的电化学性能，该材料作为正极材料，锂金属作为其对电极，组装得到锂硫电池。图6为该复合材料作为锂硫电池正极时的长循环性能图，从图中可以看出，在大电流2.1mAcm-2和硫高负载2.6mgcm-2的条件下，该复合材料能贡献高达930mAh/g的容量。即使是在长达450圈的长循环测试下，该材料在循环过程中未出现明显的容量衰减，展现出了优异的长循环稳定性和高硫利用率。
[0046] 而上述优异性能都是得益于该复合材料的独特的结构设计，以及其优异的电化学催化能力和化学吸附能力。这两种功能通过同步辐射光源的近边X射线吸收谱测试，得到了充分的证明。同步辐射光源的近边X射线吸收谱对锂硫电池进行了原位的测试，其光谱曲线如图7所示。从图7(a)中可以看出，在锂硫电池放电阶段，硫单质在2471eV的特征吸收峰完全消失，说明复合材料中的硫单质完全转变成了硫化锂物相；硫化锂的特征吸收峰在2472eV表现非常明显，说明放电过程中硫单质到硫化锂的转化非常彻底，硫的利用率极高。
二硫化钴/碳纳米纤维起到了很重要的电化学催化转化作用，加速了硫到硫化锂的固固转化过程，降低了转化的势垒，从而提高了转化率。
二硫化钴/碳纳米纤维起到了很重要的电化学催化转化作用，加速了硫到硫化锂的固固转化过程，降低了转化的势垒，从而提高了转化率。
[0047] 随后利用同步辐射光源对锂硫电池的充电过程进行了原位测试，发现当电池充到2.8V后，硫化锂的特征峰缓慢消失，硫单质的吸收峰增强，说明其在充电阶段能够完全转换回来，具有很好的可逆性。该测试结果充分说明了二硫化钴/碳纳米纤维的双功能特征在锂硫电池中得到了很好的体现，对硫单质与硫化锂之间的电化学催化转化作用以及对多硫化物的吸附作用，从而使得二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合正极材料的硫利用率提高，有利于提高锂硫电池的能量密度，进一步发挥硫的储锂能力。实验证明，该复合正极材料具有很大的锂硫电池正极材料应用前景，有很多的市场前景。
[0048] 本发明制备得到的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料具有独特的玉米棒状纳米结构，赋予了该复合材料独特的双功能化特点；其中，碳纳米纤维作为导电通道和支撑骨架，具有很好的电子电导能力，有利于锂离子和硫的电子交换，加速反应的进程；在碳纳米纤维表面生长的二硫化钴纳米颗粒具有优异的半导体性质，经过纳米化设计后表现出了对硫和硫化锂的电催化转化性能，改善了锂硫电池中硫和硫化锂低反应活性的问题；并且二硫化钴具有很强的化学吸附特征，对多硫化物具有吸附限制作用，抑制了多硫化物在电池内部的穿梭效应，提高了电池的循环稳定性。与传统的二硫化钴/硫复合正极材料相比，该复合材料具有双功能化的设计，针对锂硫电池两大问题对症下药，其性能得到了很多的提高。
[0049] 本发明制备的独特的玉米棒状纳米结构具有很高的硫负载量，硫最大的负载量可以高达10mg·cm-2，这是其他传统的二硫化钴/硫复合正极材料所不具备的。高硫负载意味着锂硫电池更高的能量密度，有利于提高电池的续航能力，解决里程焦虑；高硫负载的实现得益于材料独特的纳米结构设计和双功能化二硫化钴纳米颗粒的制备，从而可以充分发挥硫的储锂能力。
[0050] 本发明制备方法简单，可重复性好，周期短。在该方法中，采用了温和和简单的溶剂静置反应方法，所得到的材料的产率很高，所需设备简单易操作，可大规模推广和生产，成本低，稳定性和重复性好，具有很好的应用推广可能性。其他传统的锂硫电池正极材料制备方法，如化学气相沉积方法、高压水热反应，静电纺丝技术等方法产率较低，生产的设备要求较高，周期长，不利于大规模工业推广使用。
[0051] 为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料的制备方法及其应用进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
[0052] 实施例1
[0053] 将碳纳米纤维1.2g浸泡在0.15mol/L的氢氧化钾溶液中，浸泡时间为12小时，然后取出碳纳米纤维并放在鼓风干燥箱中干燥，干燥温度50℃，干燥时间12小时，将干燥后的碳气凝胶在氩气条件下800℃热处理2小时，得到多孔碳纳米纤维材料；
[0054] 取多孔碳纳米纤维0.8g加入到50mL的四水合草酸钴、硫脲、乙二醇的混合溶液中，其中四水合草酸钴和硫脲的质量分别为0.43g和0.27g，乙二醇的体积为50mL，并预先搅拌混合均匀；然后将上述混合物置于水浴锅内进行静置反应，水浴温度为160℃，反应时间为12h；反应完成后，将沉淀物抽滤，并用乙醇冲洗2遍，在60℃烘箱中干燥12h后，与0.6g的硫粉混合研磨并真空封装，将真空石英管放在马弗炉内退火处理，退火温度200℃，保温时间
12h，最终得到二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
12h，最终得到二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
[0055] 该实施例得到的复合材料的SEM图像如图2所示，由图2可知，纳米结构如同玉米棒，作为导电主通道的碳纳米纤维直径约为1.5～2微米，在其上密密麻麻有序排列着大量二硫化钴纳米颗粒，如图二(c)所示；且二硫化钴纳米颗粒直径约为15～25nm，有利于增大与硫的接触面积，提高催化反应活性和化学吸附能力。
[0056] 图3的透射电镜图像清晰地展示了该复合材料的结构特征；由图3可知，二硫化钴纳米粒子和碳纳米纤维组成的基本骨架结构可以清楚的区分，在碳纳米纤维上布满了深黑色的二硫化钴纳米小球，这些小球相互搭接，但又不团聚，即二硫化钴纳米颗粒一个连着一个，组成了“玉米棒”结构上的“玉米粒”，表现出了明显的有序阵列分布结构，提高了相互之间的协同催化和吸附能力，有利于增强锂硫电池的催化反应能力，提高电化学性能。
[0057] 将该材料组装成锂硫电池，测试其电化学性能，发现在大倍率0.5C时其首圈容量高达980mAh/g，在长达540圈的循环中容量衰减低于5％，展现了优异的储锂能力。
[0058] 实施例2
[0059] 取碳纳米纤维0.5g浸泡在0.3mol/L的氢氧化钾溶液中，浸泡时间为12小时，然后取出碳纳米纤维并放在鼓风干燥箱中干燥，干燥温度50℃，干燥时间12小时，将干燥后的碳气凝胶在氩气条件下900℃热处理4小时，得到多孔碳纳米纤维材料；
[0060] 取多孔碳纳米纤维0.4g加入到70mL的四水合草酸钴、硫脲、乙二醇的混合溶液中，其中四水合草酸钴和硫脲的质量分别为0.52g和0.35g，加入乙二醇的体积为70mL，并预先搅拌混合均匀；然后将上述混合物置于水浴锅内进行静置反应，水浴温度为180℃，反应时间为12h，反应完成后，将沉淀物抽滤，并用丙酮冲洗2遍，在60℃烘箱中干燥12h后，得到的初始复合材料与0.6g的硫粉混合研磨并真空封装，将真空石英管放在马弗炉内退火处理，退火温度250℃，保温时间12h，最终得到二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合材料。
[0061] 如图4所示，图4为初始复合材料XRD图谱，由图4可知，该材料与标准二硫化钴XRD卡片相对应，说明复合材料确实为二硫化钴材料，且XRD图谱未表现出其他的杂质衍射峰，其纯度很高，不含其他杂质的成分。
[0062] 该实施例得到的复合材料的X射线衍射图谱见图5所示，从图中可以看出，所得复合正极材料的衍射峰与标准二硫化钴晶体和标准单质硫的XRD完美对应，说明所合成得到的复合材料具有完整的二硫化钴晶体结构和硫单质的晶型，无其他杂质存在；且硫单质的衍射峰信号明显高于二硫化钴的信号，说明该复合材料中，硫的负载量很高，有利于增大锂硫电池的能量密度。
[0063] 将本实施例得到的复合材料组装锂硫电池，测试其电化学性能；图6表明该材料用于在大电流2.1mAcm-2和硫高负载2.6mgcm-2的条件下，该复合材料能贡献高达930mAh/g的容量；即使是在长达450圈的长循环测试下，该材料在循环过程中未出现明显的容量衰减，展现出了优异的长循环稳定性和高硫利用率；而这些都是得益于该复合材料的独特的结构设计，以及其优异的电化学催化能力和化学吸附能力。这两种功能通过同步辐射光源的近边X射线吸收谱测试，得到了充分的证明；同步辐射光源的近边X射线吸收谱对锂硫电池进行了原位的测试，其光谱曲线如图7所示，从图7(a)中可以看出，在锂硫电池放电阶段，硫单质在2471eV的特征吸收峰完全消失，说明复合材料中的硫单质完全转变成了硫化锂物相；硫化锂的特征吸收峰在2472eV表现非常明显，说明放电过程中硫单质到硫化锂的转化非常彻底，硫的利用率极高。
[0064] 二硫化钴/碳纳米纤维起到了很重要的电化学催化转化作用，加速了硫到硫化锂的固固转化过程，降低了转化的势垒，从而提高了转化率。随后利用同步辐射光源对其的充电过程进行了原位测试，发现当电池充到2.8V后，硫化锂的特征峰缓慢消失，硫单质的吸收峰增强，说明其在充电阶段能够完全转换回来，具有很好的可逆性。该测试结果充分说明了二硫化钴/碳纳米纤维的双功能特征在锂硫电池中得到了很好的体现，对硫单质与硫化锂之间的电化学催化转化作用以及对多硫化物的吸附作用，从而使得二硫化钴/碳纳米纤维/硫复合正极材料的硫利用率提高，有利于提高锂硫电池的能量密度，进一步发挥硫的储锂能力。
[0065] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0066] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种暗纹东方鲀、南美白对虾、空心菜立体种养的方法 | 2020-07-27 | 2 |
| 一种苗木种植的嫁接方法 | 2020-12-13 | 0 |
| 一种锂离子动力电池正极涂布的方法 | 2021-05-13 | 1 |
| 预浸料坯层叠体、使用了预浸料坯层叠体的纤维增强塑料的制造方法及纤维增强塑料 | 2021-07-31 | 1 |
| 一种基于锑尾矿的有机聚合物合成膜及其制备方法和应用 | 2021-12-29 | 2 |
| 一种耐腐蚀粉末冶金复合材料及其制备方法 | 2020-06-27 | 0 |
| 一种工业墙体内侧保温防腐板 | 2020-06-23 | 0 |
| 双蒸发温度的新风空调 | 2020-08-28 | 1 |
| 一种风力发电机机舱防尘结构 | 2021-01-19 | 1 |
| 一种塑料薄膜成型系统 | 2021-01-28 | 0 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
结温热门专利
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈