一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法及应用

本发明涉及电池材料制备，具体为一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法及应用。

背景技术：

1、为实现碳达峰和碳中和，太阳能、风能、水能等可再生能源的发展越来越受到重视。然而，可再生能源具有间歇性、不稳定性，无法直接并网。因此，开发具有高能量密度的储能技术迫在眉睫。如今传统锂离子电池的能量密度已经达到了极限，难以满足日益增长的高能量密度需求。作为正极材料，硫以1675mahg-1的高理论比容量逐渐受到人们的广泛关注。尽管锂硫电池具有高能量密度，但锂资源的含量有限和地域分布不均导致其生产成本非常高。因此，锂硫电池在大规模电网储能中的应用并不划算。相比于锂硫电池，钠硫电池具有钠资源丰富、分布广、获取成本低等优势，更适合应用于大规模电网储能。尽管高温钠硫电池已经商业化，但由于其工作温度在300℃左右，因此存在严重的安全隐患。此外，高温钠硫电池存在维护成本高、理论容量低(558mahg-1)、能量损耗大等问题，一直没有得到广泛应用。相对而言，室温钠硫电池更安全、更便宜，理论容量也更高。然而，室温钠硫电池的商业化仍然存在许多挑战，尤其是硫正极。

2、由于硫及其硫化物的导电性较差，电池的电化学反应动力学特别缓慢，导致电池容量低。在电极反应过程中，多硫化物从正极溶解到电解液中并扩散到负极，导致电池容量快速衰减，即穿梭效应。硫转化成硫化钠的体积变化为170％。巨大的体积变化将严重破坏正极材料的完整性，从而加速电池容量衰减。为了解决硫正极的挑战，多孔碳材料被用来负载硫。这不仅提高了硫的电导率，而且缓冲了巨大的体积膨胀，有利于保持正极材料的完整性。同时，多硫化物的穿梭效应可以通过孔隙结构的物理限制效应得到缓解。在多孔碳材料中，生物质衍生的多孔碳材料以其来源广泛、环境友好，成本低廉、易得等优点而备受关注。

3、为此，提出一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法及应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法及应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法及应用，将山竹果皮残渣以多段温度高温煅烧后的生物质碳作为硫的载体，在氩气的氛围下，采用多段温度加热一定时间并配合微孔的物理限制效应，自然冷却后获得所述室温钠硫电池正极材料；

3、具体包括以下步骤：

4、s1、将山竹果皮用去离子水清洗干净，然后冷冻干燥，得到干燥的山竹果皮，再用打粉机将干燥的山竹果皮研磨成粉，制得原料a；

5、s2、按照质量比2:1:150将所述原料a、氢氧化钾和去离子水进行混合分散并搅拌，制得混合液a；

6、s3、将所述混合液a冷冻5h，然后再放入冷冻干燥机里，冷冻干燥去除水分，得到干燥的原料b，并将所述原料b放入管式炉中进行煅烧，然后获得原料c；

7、s4、将所述原料c用去离子水抽滤清洗至中性，然后真空干燥，得到多孔碳材料；

8、s5、将多孔碳材料和硫按照质量比1:1.1进行均匀研磨，然后放入玻璃瓶内，在氩气环境下密封；

9、s6、将密封后的玻璃瓶放入管式炉内，氩气氛围下加热，自然冷却后，打开玻璃瓶，再在放入管式炉内，在氩气氛围下二次加热，然后自然冷却后得到所述的室温钠硫电池正极材料。

10、优选的，所述步骤s1中在室温条件下，搅拌12个小时，搅拌速度为600rpm。

11、优选的，所述步骤s2中冷冻采用-80℃的冰箱设备处理，煅烧环境为氩气氛围。

12、优选的，所述步骤s2中煅烧程序为室温下静置30分钟，然后加热到200℃，保温90分钟，再加热到300℃，保温90分钟，接着加热到400℃，保温90分钟，最后加热到700℃，保温3小时，然后自然降温冷却，加热升温速率为每分钟3℃。

13、优选的，所述步骤s4中真空温度为80℃，干燥时间12h。

14、优选的，所述步骤s6中首次加热环境为155℃，加热15h；二次加热环境为200℃，加热0.5h。

15、优选的，所述步骤s6中首次加热和二次加热的加热升温速率均为每分钟5℃。

16、优选的，所述氩气纯度为99.999％。

17、本发明又一方面提供上述方法制备的室温钠硫电池正极材料在锂硫电池正极宿主材料中的应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、1、本发明中通过高温煅烧后的生物质碳作为硫的载体用于制备室温钠硫电池正极材料具有良好的导电性，创新性地采用多段温度加热，不仅提高了碳材料的比表面积，使其具有丰富的微孔和介孔结构，还提高了孔体积；通过微孔的物理限制效应，使得s8分子在电池循环过程中转变成s2-4分子，极大地减少了可溶性多硫化物的生成，有效地缓解了多硫化物的穿梭效应，从而提高了钠硫电池的比容量以及缓解电池容量衰减，改善了电池容量循环的稳定性；丰富的介孔结构促进了钠离子扩散，加速了传质过程，从而使得钠硫电池在大电流密度下也能具有高的比容量；孔体积的增加可以缓解体积膨胀带来的应力变化，避免正极材料结构破碎，维持正极材料结构完整，从而有助于提高电池容量循环的稳定性；

20、2、本发明通过设计采用去离子水清洗使得多孔碳材料表面具有丰富的氧官能团，在氧官能团的作用下，降低了硫转化的过电位，加快了硫转化的动力学，促进了硫和硫化钠之间的互相转化，从而实现高性能的室温钠硫电池。

技术特征：

1.一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：将山竹果皮残渣以多段温度高温煅烧后的生物质碳作为硫的载体，在氩气的氛围下，采用多段温度加热一定时间并配合微孔的物理限制效应，自然冷却后获得所述室温钠硫电池正极材料；

2.根据权利要求1所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s1中在室温条件下，搅拌12个小时，搅拌速度为600rpm。

3.根据权利要求1所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法及应用，其特征在于：所述步骤s2中冷冻采用-80℃的冰箱设备处理，煅烧环境为氩气氛围。

4.根据权利要求1所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s2中煅烧程序为室温下静置30分钟，然后加热到200℃，保温90分钟，再加热到300℃，保温90分钟，接着加热到400℃，保温90分钟，最后加热到700℃，保温3小时，然后自然降温冷却，加热升温速率为每分钟3℃。

5.根据权利要求1所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s4中真空温度为80℃，干燥时间12h。

6.根据权利要求1所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s6中首次加热环境为155℃，加热15h；二次加热环境为200℃，加热0.5h。

7.根据权利要求1所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤s6中首次加热和二次加热的加热升温速率均为每分钟5℃。

8.根据权利要求1所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，其特征在于：所述氩气纯度为99.999％。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法制备的室温钠硫电池正极材料在锂硫电池正极宿主材料中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高性能室温钠硫电池正极材料的制备方法，步骤如下：将山竹果皮研磨成粉后，分散到氢氧化钾水溶液中，搅拌、冷冻干燥去除水分；然后将干燥的产物放入管式炉中，在氩气氛围下，依次进行多段高温煅烧，再用去离子水清洗得到多孔碳材料；将多孔碳材料与硫粉按照质量比1:1.1研磨均匀，在155℃下加热15小时，然后在200℃加热30分钟，得到室温钠硫电池正极材料。本发明通过高温煅烧后的生物质碳作为硫的载体制备的室温钠硫电池正极材料环保，具有良好的导电性，采用多段温度加热，不仅提高了碳材料的比表面积，使其具有丰富的微孔和介孔结构，还提高了孔体积，成本低，大电流密度下具有高的比容量，循环稳定性好。

技术研发人员：马汝广,赵沈飞,李春洁,李长明
受保护的技术使用者：苏州科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14