一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]锂离子电池作为新型高能量密度二次电池，已成为各国研宄开发的重点和热点。在正、负极材料的选择上，正极材料必须选择高电位的嵌锂化合物，负极材料必须选择低电位的嵌锂化合物。正极材料是锂离子电池的重要组成部分，与电池的电化学性能密切相关。过渡金属氧化物和磷酸盐材料是目前主要的产业化正极材料，但其实际比容量不超过300mAh/g。为满足动力电池高比能量和高比功率的使用要求，近几年以硫与碳的复合材料为正极材料的锂硫电池备受关注。硫的理论比容量为1675mAh/g，锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg。单质硫具有来源丰富、对环境友好、价格便宜、电池安全性好等优点。因此，锂硫电池是非常有发展前景的高能量密度二次电池。
[0003]脱脂棉来自于棉花，棉花又广泛存在自然界中和废弃的衣服中。这些生物材料能够在高温碳化后留下很好的原始形貌，为制备电极材料提供了很好的生物模板。传统锂硫电池大部分是通过介孔碳材料来实现储硫，这种方法不仅价格昂贵而且对环境污染大，已近不能满足绿色环保，低碳经济的要求。选用脱脂棉作为研宄对象，是一个非常重要并且有意义的课题。绝大多数棉制衣服在破旧后都会被焚烧或丢弃，棉制衣服不但没有得到充分的利用，并且对环境造成严重污染。只有少数的棉制衣服被加工重新和再利用。
【发明内容】
[0004]本发明第一个目的是提供一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料的制备方法，该C/Ni/S复合材料来源于脱脂棉，原料来源广泛且具有废物利用的特点，制备工艺简单，对环境友好，易于工业化实施。
[0005]本发明第二个目的是提供所述C/Ni/S复合材料作为锂离子电池正极材料的应用。
[0006]本发明的第三个目的是提供一种以所述C/Ni/S复合材料作为正极材料的锂离子电池。
[0007]下面具体说明本发明的技术方案。
[0008]本发明提供了一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料的制备方法，棉制衣服因为破旧，常被丢弃处理，然而将这些衣服进行脱脂处理后，就能当作生物模板，在其表面合成出多孔的C/Ni复合材料。再通过将其和S复合来制备C/Ni/S复合材料。
[0009]本发明的创新点在于对废旧棉制衣服的充分利用来制备C/Ni/S复合材料。具体而言，一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0010](I)脱脂棉洗净之后干燥，得到干燥后的脱脂棉；
[0011](2)把干燥后的脱脂棉置于由NiS04、K2S2OjP水组成的混合溶液中，并加入氨水，搅拌10?60min后洗净、干燥，得到干燥后的样品；
[0012](3)将干燥后的样品与聚苯乙烯的二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合，然后在氮气或氩气保护下以5?20°C /min的升温速率升至300?1000°C进行碳化，碳化后冷却、研磨得到C/Ni复合材料；
[0013](4)取升华硫粉末溶于二硫化碳(CS2)中，得到含有升华硫的二硫化碳溶液，将C/Ni复合材料与含有升华硫的二硫化碳溶液混合，搅拌至二硫化碳全部挥发，研磨挥发后的粉末；
[0014](5)取研磨后的粉末放入120?180°C烘箱中6?18h，冷却、研磨得到C/Ni/S复合材料。
[0015]步骤⑵中，所述的由NiS04、K2S2OjP水组成的混合溶液制备包括:配置浓度0.1?0.5mol/L的NiSCVK溶液和0.05?0.3mol/L的K品08水溶液按体积比4:1?5混合得到。所述的氨水的质量百分数为10%?30%，具体是指氨水中氨的质量百分数。所述的氨水与NiSO4水溶液的体积比为0.5?2:4。
[0016]步骤(3)中，所述的聚苯乙烯的二甲基甲酰胺溶液中聚苯乙烯的质量分数为5%?20%，优选为5?15%，最优选为10%。其中干燥后的样品(即预炭化后的样品)与聚苯乙烯的二甲基甲酰胺溶液的投料比没有特别要求，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。
[0017]步骤(3)中，升温速率优选为5?18°C /min,更优选为5?10°C /min,最优选为5 0C /min ;碳化温度优选为300?800 °C，更优选为500?600 °C，最优选为600 °C ;碳化时间优选为2?7小时，优选2?4小时，最优选2小时。
[0018]作为优选，所述的利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0019](I)脱脂棉洗净，进行鼓风干燥，得到干燥后的脱脂棉；
[0020](2)配置浓度0.3mol/L的NiSO4水溶液和0.lmol/L的K品08水溶液，然后按体积比4:3混合，把干燥后的脱脂棉置于其中并加入质量分数为25%的氨水，氨水与NiSO4水溶液的体积比为1:4，搅拌30min后洗净、烘干，得到干燥后的样品；
[0021](3)将干燥后的样品与质量分数为5%?15%的二甲基甲酰胺溶液混合，然后在氮气或氩气保护下以5?10°C /min的升温速率升至500?600°C进行碳化，碳化后冷却、研磨得到C/Ni复合材料。
[0022](4)取升华硫粉末溶于二硫化碳(CS2)中，得到含有升华硫的二硫化碳溶液，将研磨后的C/Ni复合材料与含有升华硫的二硫化碳溶液混合，搅拌至二硫化碳全部挥发，研磨挥发后的粉末。
[0023](5)取研磨后的粉末，密封后放入150°C烘箱中12h，冷却、研磨得到C/Ni/S复合材料。
[0024]所述的制备方法制得的C/Ni/S复合材料可作为锂离子电池正极材料的应用，将C/Ni/S复合材料作为锂离子电池正极材料按现有方法制备锂离子电池正极。
[0025]将锂离子电池正极采用现有方法制备锂离子电池。即所述的C/Ni/S复合材料作为正极材料的锂离子电池。
[0026]本发明与现有技术相比，其有益效果主要体现在:
[0027]—、本发明中脱脂棉是作为生物模板和部分碳源，其是一种对废弃棉制衣服脱脂处理，再在其表面合成多孔C/Ni材料，并且是一种废物利用的环保行为。
[0028]二、所用的原材料来源广泛、易得到，易于工业化实施；制备工艺简单，无废气废水排放，因而对环境友好。
[0029]三、本发明在脱脂棉的基础上，使用化学合成方法在表面生成多孔材料，再聚苯乙烯进行碳包覆，制得多孔C/Ni复合材料，最后将C/Ni与S复合，制备出C/Ni/S复合材料作为锂离子电池正极材料应用时表现出良好的循环性能、容量保持率和库伦效率。
【附图说明】
[0030]图1是实施例1所制备的模拟锂离子电池的循环性能的图；
[0031]图2是实施例1所制备的C/Ni/S复合材料的XRD衍射图。
【具体实施方式】
[0032]下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。
[0033]实施例1
[0034]脱脂棉洗净，进行鼓风干燥。配置浓度0.3mol/L的NiSO4溶液80ml和0.lmol/L的K2S2O8溶液60ml，并将其混合，把干燥后的脱脂棉置于其中并加入20ml质量分数为25%的氨水中，搅拌30min后洗净、烘干。使烘干后的样品与质量分数为10%的聚苯乙烯的DMF溶液混合，然后在氮气保护下以5°C /min的升温速率升至600°C进行碳化，碳化后冷却、研磨得到C/Ni复合材料。取升华硫粉末溶于CS2*，将研磨后的C/Ni复合材料与含有升华硫的CS2S液混合，搅拌至CS 2溶液全部挥发，研磨挥发后的粉末。取研磨后的粉末至于称量瓶中，密封后放入150°C烘箱中12h，冷却、研磨得到C/Ni/S复合材料。
[0035]图2为该材料的XRD衍射图，对照标准卡，C/Ni/S。
[0036]用实施例1所制得的C/Ni/S复合材料按下述方法制成电极。
[0037]以80:10:10的质量比分别称取C/Ni/S复合材料:super_P (纯黑色极细粉末):聚偏四氟乙烯，研磨均匀后，均匀涂覆在铝箔表面，然后在90°C下烘干12h，经压