一种用于锂硫电池的碳硫复合材料及其制备方法和用图_3

文档序号:9689621阅读:来源:国知局
mAh.g_1,793mAh.g—1 和 1012mAh.g—S 容量保持率分别为82.7 %,75.5 %,76.8%,69.6%和51.2 %,都具有良好的循环性能。根据硫含量与电池循环比容量的综合考虑,计算出按照正极与中间层总质量来计算的比容量依次为313mAh.g—1,307mAh.g^,345mAh.g^,377mAh.g—1和384mAh.g—1,因而该组实施例中的最优结果为加入硫含量为Iwt %的碳硫复合材料的电池。
[0049]实施例4
[0050]将多壁碳纳米管加入浓硫酸与浓硝酸体积比为3:1的水溶液中,在80°C条件下加热回流12h进行氧化。随后,用去离子水对悬浮液进行稀释和离心清洗,并将最终的产物在一定量的去离子水中进行超声分散,得到碳纳米管分散液。随后加入一定量的乙炔黑,碳纳米管与乙炔黑的质量比控制为5:1,并进行Ih的超声分散。
[0051 ]将硫化钠(Na2S)溶于去离子水中,形成溶液后,加入升华硫,控制Na2S与升华硫的摩尔比为1:3,并在室温下搅拌2h。随后,缓慢加入醋酸(CH3COOH)至pH=3,反应生成硫颗粒沉淀。离心取出沉淀后,用去离子水清洗三遍,并用超声分散,得到硫悬浊液。
[0052]将碳纳米管、乙炔黑的混合液与硫悬浊液按碳硫质量比分别为30:70,44:56,60:40,80: 20和99: I进行混合,并对混合液进行真空抽滤,制备得到硫含量分别为70wt %,56wt% ,40wt% , 20wt%^Plwt% 的碳硫复合材料。
[0053]采用以上制备得到的碳硫复合材料,以与实施例1相同的方法组装成为锂硫纽扣电池进行电化学性能测试。测试温度为25°C,电压窗口为1.8V-2.8V。电池在0.1C倍率下充放循环2次,后在0.5C倍率下充放循环5次进行活化,后在IC倍率下充放电循环300次,进行循环稳定性测试。加入硫含量为, 56wt% ,40wt%,2(^1:%和1¥1:%的碳硫复合材料后,电池在第300次循环的放电比容量分别为466mAh.g-1AOmAh.g-1JSOmAh.g-1,805mAh.g—1 和 1020mAh.g—S容量保持率分别为81.7%,80.2%,70.0%,69.5%和60.1%,都具有良好的循环性能。根据硫含量与电池循环比容量的综合考虑,计算出按照正极与中间层总质量来计算的比容量依次为338mAh.g^,308mAh.g^,334mAh.g^,382mAh.g—1和388mAh.g—I因而该组实施例中的最优结果为加入硫含量为lwt%的碳硫复合材料的电池。
[0054]实施例5
[0055]将多壁碳纳米管加入浓硫酸与浓硝酸体积比为3:1的水溶液中,在80°C条件下加热回流12h进行氧化。随后,用去离子水对悬浮液进行稀释和离心清洗,并将最终的产物在一定量的去离子水中进行超声分散,得到碳纳米管分散液。随后加入一定量的CMK-3有序介孔碳,碳纳米管与有序介孔碳的质量比控制为5:1,并进行Ih的超声分散。
[0056]将硫化钠(Na2S)溶于去离子水中,形成溶液后,加入升华硫,控制Na2S与升华硫的摩尔比为1:3,并在室温下搅拌2h。随后,缓慢加入醋酸(CH3COOH)至pH=3,反应生成硫颗粒沉淀。离心取出沉淀后,用去离子水清洗三遍,并用超声分散,得到硫悬浊液。
[0057]将碳纳米管、有序介孔碳的混合液与硫悬浊液按碳硫质量比分别为30= 70,44:56,60:40,80:20和99: I进行混合,并对混合液进行真空抽滤,制备得到硫含量分别为70wt%,56wt% ,40wt% , 20wt%^Plwt% 的碳硫复合材料。
[0058]采用以上制备得到的碳硫复合材料,以与实施例1相同的方法组装成为锂硫纽扣电池进行电化学性能测试。测试温度为25°C,电压窗口为1.8V-2.8V。电池在0.1C倍率下充放循环2次,后在0.5C倍率下充放循环5次进行活化,后在IC倍率下充放电循环300次,进行循环稳定性测试。加入硫含量分别为70wt %,56wt %,40wt %,20wt %和Iwt %的碳硫复合材料后,电池在第300次循环的放电比容量分别为429mAh.g^,489mAh.g"1,59 ImAh.g一1,794mAh.g—1 和 1029mAh.g—S容量保持率分别为85.4%,78.3%,75.1%,68.8%和66.5%,都具有良好的循环性能。根据硫含量与电池循环比容量的综合考虑,计算出按照正极与中间层总质量来计算的比容量依次为31ImAh.g^,320mAh.g^,340mAh.g^,377mAh.g—1和39ImAh.g—S因而该组实施例中的最优结果为加入硫含量为lwt%的碳硫复合材料的电池。
[0059]实施例6
[0060]首先称取5g天然鳞片石墨,在500mL的烧杯中加入98%的浓硫酸200g,随后将石墨与浓硫酸混合加入到烧杯中,在冰浴条件下搅拌过夜。之后保持冰浴温度在o°c左右,缓慢地加入15g高锰酸钾粉末,搅拌反应4h;将水浴温度升至35°C,继续搅拌反应2h;在10001^烧杯加入200mL的去离子水,用玻璃棒将反应混合分散液慢慢引流入水中,并控制温度在95°C以下搅拌加热30min,制备得到氧化石墨。
[0061]氧化石墨的清洗与分散:用去离子水将反应液释稀到SOOmL后加5mL溶度为30%的过氧化氢水溶液,并趁热过滤,后用5%的稀盐酸与去离子水反复进行离心清洗,并将最终的产物在一定量的去离子水中进行超声分散,形成氧化石墨烯分散液。随后,通过真空抽滤的方式制备得到氧化石墨烯膜,并在氩气气氛下进行800°C碳化,最终制备得到石墨烯膜。
[0062]将不同质量的生华硫分别溶于二硫化碳溶液中,制备得到浓度分别为30mg.mL—1,25mg.mL—1JSmg.mL_1,12mg.mL—1和4mg.mL—1的硫的二硫化碳溶液。将石墨稀与乙炔黑的复合膜浸入不同浓度的溶液中,浸泡Ih后取出在通风厨内凉干,并置于烘箱中,在155°C恒温保持12h,制备出硫含量分别为70wt% ,56wt% ,40wt%,2(^1:%和1¥1:%的碳硫复合材料。
[0063]采用以上制备得到的碳硫复合材料,以与实施例1相同的方法组装成为锂硫纽扣电池进行电化学性能测试。测试温度为25°C,电压窗口为1.8V-2.8V。电池在0.1C倍率下充放循环2次,后在0.5C倍率下充放循环5次进行活化,后在IC倍率下充放电循环300次,进行循环稳定性测试。加入硫含量分别为70wt %,56wt %,40wt %,20wt %和Iwt %的碳硫复合材料后,电池在第300次循环的放电比容量分别为400mAh g^,458mAh g—1JOOmAh g^,716mAhg—1和842mAh g-1,容量保持率分别为80.2% ,80.3% ,79.6% ,74.3%和57.6%,都具有良好的循环性能。根据硫含量与电池循环比容量的综合考虑,计算出按照正极与中间层总质量来计算的比容量依次为290mAh.g—1JOOmAh.g_1,345mAh.g_1,340mAh.g—1 和320mAh.g一1,因而该组实施例中的最优结果为加入硫含量为40wt %的碳硫复合材料的电池。
[0064]实施例7
[0065]首先称取5g天然鳞片石墨,在500mL的烧杯中加入98%的浓硫酸200g,随后将石墨与浓硫酸混合加入到烧杯中,在冰浴条件下搅拌过夜。之后保持冰浴温度在o°c左右,缓慢地加入15g高锰酸钾粉末,搅拌反应4h;将水浴温度升至35°C,继续搅拌反应2h;在10001^烧杯加入200mL的去离子水,用玻璃棒将反应混合分散液慢慢引流入水中,并控制温度在95°C以下搅拌加热30min,制备得到氧化石墨。
[0066]氧化石墨的清洗与分散:用去离子水将反应液释稀到800mL后加5mL浓度为30%的过氧化氢水溶液,并趁热过滤,后用5%的稀盐酸与去离子水反复进行离心清洗,并将最终的产物在一定量的去离子水中进行超声分散,形成氧化石墨烯分散液。随后加入一定量的乙炔黑,氧化石墨烯与乙炔黑的质量比控制为5:1,并进行Ih的超声分散。随后,通过真空抽滤的方式制备得到氧化石墨烯与乙炔黑的复合膜,并在氩气气氛下进行800°C碳化,最终制备得到石墨烯与乙炔黑的复合膜。
[0067]将不同质量的生华硫分别溶于二硫化碳溶液中,制备得到浓度分别为25mg.mL—1,18mg.mL_1,12mg.mL—1Jmg.mL—^Plmg.mL—1的硫的二硫化碳溶液。将石墨稀与乙炔黑的复合膜浸入不同浓度的溶液中,浸泡Ih后取出在通风厨内凉干,并置于烘箱中,在155°C恒温保持12h,制备出硫含量分别为70wt% ,56wt% ,40wt%,2(^1:%和1¥1:%的碳硫复合材料。
[0068]采用以上制备得到的碳硫复合材料,以与实施例1相同的方法组装成为锂硫纽扣电池进行电化学性能测试。测试温度为25°C,电压窗口为1.8V-2.8V。电池在0.1C倍率下充放循环2次,后在0.5C倍率下充放循环5次进行活化,后在IC倍率下充放电循环300次,进行循环稳定性测试,加入硫含量分别为70wt %,56wt %,40wt %,20wt %和Iwt %的碳硫复合材料后,电池在第300次循环的放电比容量分别为421mAh.g^,450mAh.g^,617mAh.g一1,768mAh.g—1 和947mAh g-1,容量保持率分别为80.4%,80.2 %,75.6 %,58.6 % 和59.I %,都具有良好的循环性能。根据硫含量与电池循环比容量的综合考虑,计算出按照正极与中间
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