本發(fā)明涉及新能源儲能領域，具體涉及到一種用于鋰硫電池的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠及其制備方法。

背景技術：

1、隨著化石能源的消耗殆盡以及全球氣候變暖，能源問題變得日益突出，傳統(tǒng)的化石能源已經(jīng)很難滿足當今社會的發(fā)展需要，開發(fā)新型能源變得尤為重要。目前，大力發(fā)展清潔、高效的可再生能源已將成為能源領域技術研發(fā)和攻關的重點之一。新能源汽車取代以往的燃油汽車以后，在節(jié)約了化石能源的同時也避免了因碳排放導致的環(huán)境污染等問題。對于新能源電車，高性能的新能源電池是必不可少的。

2、鋰硫電池作為一種新型電池，具有高能量密度、低成本和低毒性等優(yōu)勢，得到了科研人員的廣泛關注。然而，鋰硫電池的固有問題，嚴重阻礙了它的商業(yè)化進程。例如，鋰硫電池在充放電過程中，多硫化鋰會溶于電解液引起“穿梭效應”，循環(huán)穩(wěn)定性差；同時，鋰硫電池的放電產(chǎn)物(li2s2/li2s)具有絕緣性，不利于電池的高倍率性能。近年來，氣凝膠因具有質(zhì)量輕、密度小、導電性能良好以及比表面積大等特點，被用作優(yōu)異的載硫體材料。經(jīng)高溫碳化后的氣凝膠導電率高，不僅能夠?qū)Χ嗔蚧镞M行物理吸附，而且能承受鋰化過程中硫的體積膨脹，可以有效的提高硫正極的電化學性能。然而，依賴非極性碳與極性多硫化物間的范德華力物理吸附，對硫正極電化學穩(wěn)定性和動力學性能的提升作用有限?；诖?，本發(fā)明提出了一種用于鋰硫電池的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠制備方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本文的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種用于鋰硫電池的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠及其制備方法。

2、本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：采用液氮快速冷凍的技術，獲得了具有穩(wěn)定機械結(jié)構(gòu)的氣凝膠。并且通過在氣凝膠內(nèi)部引入金屬離子，經(jīng)高溫退火后獲得了表面金屬負載超輕石墨烯氣凝膠。由于該金屬納米顆粒具有高費米能級，一部分電子容易從金屬顆粒流向碳襯底，導致電子云結(jié)構(gòu)重新排列，在金屬顆粒與碳界面處產(chǎn)生內(nèi)置電場，進一步加強對多硫化物的吸附以及對于硫化鋰的沉積，并賦予雜化物更高的電導率。

3、本發(fā)明提供了一種負載金屬顆粒超輕石墨烯氣凝膠，所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠為定向三維結(jié)構(gòu)；所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的質(zhì)量為0.3～0.4g，密度為0.03～0.04g/cm3，比表面積為120～130m2/g；所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠內(nèi)部均勻包覆金屬顆粒，金屬顆粒粒徑為5.5～6nm。

4、本發(fā)明又提供了一種金屬負載超輕石墨烯氣凝膠制備方法，包括以下步驟：

5、步驟1：將醋酸鹽、氧化石墨烯、殼聚糖溶解于醋酸水溶液后，將其先在液氮環(huán)境下快速冷凍后真空冷凍干燥；

6、步驟2：將冷凍干燥后的樣品置于管式爐中退火，得到高溫碳化后的氣凝膠；將氣凝膠在硫酸水溶液中洗滌，繼續(xù)進行冷凍干燥，得到金屬負載超輕石墨烯氣凝膠；

7、進一步地，步驟1中，所述醋酸鹽為醋酸鈷、醋酸鎳和醋酸鐵中的一種或多種；所述醋酸鹽、殼聚糖、氧化石墨烯質(zhì)量比為(600～700):(400～500)：(10～30)；所述的醋酸濃度80％～90％，醋酸與去離子水的體積比(0.7～0.9):(40～60)。

8、進一步地，步驟1中，所述液氮環(huán)境下冷凍時間為20～30min；所述真空冷凍干燥壓強小于30pa，溫度為-70℃～-60℃，時間為48～72h；

9、進一步地，所述步驟2中，所述退火溫度為700～900℃，時間為60～180min；硫酸水溶液的濃度為1～2mol?l-1。

10、本發(fā)明又提供一種金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的應用，所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠與升華硫粉水熱得負載金屬顆粒超輕石墨烯氣凝膠復合硫材料；所述負載金屬顆粒超輕石墨烯氣凝膠復合硫材料導電炭黑和粘結(jié)劑混合制成漿料，涂覆在鋁箔上，制得金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極；所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極應用于鋰硫電池的組裝。

11、進一步地，所述鋰硫電池的組裝為金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極和金屬鋰片陽極封裝在電池殼內(nèi)，陰極與陽極之間以隔膜隔開，膈膜兩側(cè)填充有電解液。

12、進一步地，所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠與升華硫粉的質(zhì)量比為(30～50):(50～70)；所述水熱反應溫度為150～160℃，時間為12～24h。

13、進一步地，所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極材料、導電炭黑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(60～80)：(10～20)：(10～20)。

14、進一步地，所述隔膜為聚丙烯隔膜；所述金屬鋰片陽極選用高純鋰箔，厚度為0.1～0.3mm；所述電解液選自硝酸鋰、雙酰亞胺鋰、1，3-二氧戊環(huán)和1，2-二甲氧基乙烷中的一種或幾種混合溶液，濃度為0.5～3mol?l-1。

15、有益效果在于：通過液氮快速冷凍以及真空冷凍干燥的方法獲得了具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠，通過此方法獲得的氣凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)以及均勻的金屬負載。本發(fā)明提供了一種用于鋰硫電池的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠。該氣凝膠具有質(zhì)量輕、導電性好和比表面積大等優(yōu)點，可以將硫及多硫化物嵌入到氣凝膠片層結(jié)構(gòu)中，有利于多硫化物的物理吸附。同時，利用氣凝膠表面負載金屬顆粒的催化轉(zhuǎn)化效應，最大限度地抑制了“穿梭效應”，提升了鋰硫電池電極反應動力學。此外，柔性且導電的石墨烯氣凝膠，既能承受在鋰化過程中硫的體積膨脹，又有利于電子的傳遞，可以有效的提高硫正極的電化學穩(wěn)定性?？梢?，將本發(fā)明提供的負載金屬超輕石墨烯氣凝膠應用到鋰硫電池中，能夠解決以往鋰硫電池所面臨由于多硫化物引起的“穿梭效應”、短鏈多硫化物導電性差引起的倍率性能不佳和循環(huán)穩(wěn)定性差等一系列問題。

16、本發(fā)明采用液氮快速冷凍技術制備了一種用于鋰硫電池的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠。以該氣凝膠作為宿主的鋰硫電池，在1.0c倍率下循環(huán)300次后，仍然保持了495.8mah?g-1的放電比容量。同時該氣凝膠也具有良好的倍率性能。

技術特征：

1.一種負載金屬顆粒超輕石墨烯氣凝膠，其特征在于，所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠為定向三維結(jié)構(gòu)；所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的質(zhì)量為0.3～0.4g，密度為0.03～0.04g/cm3，比表面積為120～130m2/g；所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠內(nèi)部均勻包覆金屬顆粒，金屬顆粒粒徑為5.5～6nm。

2.一種如權利要求1所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3.根據(jù)權利要求2所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠制備方法，其特征在于，步驟1中，所述醋酸鹽為醋酸鈷、醋酸鎳和醋酸鐵中的一種或多種；所述醋酸鹽、殼聚糖、氧化石墨烯質(zhì)量比為(600～700):(400～500)：(10～30)；所述的醋酸濃度80％～90％，醋酸與去離子水的體積比(0.7～0.9):(40～60)。

4.根據(jù)權利要求2所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠制備方法，其特征在于，步驟1中，所述液氮環(huán)境下冷凍時間為20～30min；所述真空冷凍干燥壓強小于30pa，溫度為-70℃～-60℃，時間為48～72h。

5.根據(jù)權利要求2所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠制備方法，其特征在于，所述步驟2中，所述退火溫度為700～900℃，時間為60～180min；硫酸水溶液的濃度為1～2mol?l-1。

6.一種如權利要求1所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的應用，其特征在于，所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠與升華硫粉水熱得負載金屬顆粒超輕石墨烯氣凝膠復合硫材料；所述負載金屬顆粒超輕石墨烯氣凝膠復合硫材料導電炭黑和粘結(jié)劑混合制成漿料，涂覆在鋁箔上，制得金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極；所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極應用于鋰硫電池的組裝。

7.根據(jù)權利要求6所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的應用，其特征在于，所述鋰硫電池的組裝為金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極和金屬鋰片陽極封裝在電池殼內(nèi)，陰極與陽極之間以隔膜隔開，膈膜兩側(cè)填充有電解液。

8.根據(jù)權利要求6所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的應用，其特征在于，所述金屬負載超輕石墨烯氣凝膠與升華硫粉的質(zhì)量比為(30～50):(50～70)；所述水熱反應溫度為150～160℃，時間為12～24h。

9.根據(jù)權利要求6所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的應用，其特征在于，所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠復合硫陰極材料、導電炭黑和粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(60～80)：(10～20)：(10～20)。

10.根據(jù)權利要求7所述的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠的應用，其特征在于，所述隔膜為聚丙烯隔膜；所述電解液選自硝酸鋰、雙酰亞胺鋰、1，3-二氧戊環(huán)和1，2-二甲氧基乙烷中的一種或幾種混合溶液，濃度為0.5～3mol?l-1。

技術總結(jié)
本發(fā)明提供一種用于鋰硫電池的金屬負載超輕石墨烯氣凝膠及其制備方法，屬于新能源儲能領域。本發(fā)明方法采用液氮快速冷凍法，得到金屬負載超輕石墨烯氣凝膠。本發(fā)明提供的氣凝膠具有質(zhì)量輕、導電性好和比表面積大等優(yōu)點，有利于多硫化物的吸附。同時，氣凝膠表面負載的金屬顆粒，可以有效抑制“穿梭效應”，提升電極反應動力學。此外，柔性且導電的石墨烯氣凝膠，既能承受在鋰化過程中硫的體積膨脹，又有利于電子的傳遞，可以有效的提高硫正極的電化學穩(wěn)定性。將其應用到鋰硫電池中，解決了鋰硫電池所面臨由于多硫化物引起的“穿梭效應”、短鏈多硫化物導電性差引起的倍率性能不佳和循環(huán)穩(wěn)定性差等一系列問題。

技術研發(fā)人員：趙贏營,肖偉強,閆峰,楊迪,陳玉金,朱春玲
受保護的技術使用者：哈爾濱工程大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15