一种铝硫电池用正极材料及其制备方法和应用[发明专利]

(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010927377.7
(22)申请日 2020.09.07
(71)申请人 南京航空航天大学
地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街
29号
(72)发明人 窦辉　邱倩　丁兵　
(74)专利代理机构 江苏圣典律师事务所 32237
代理人 贺翔
(51)Int.Cl.
H01M 4/36(2006.01)
H01M 4/38(2006.01)
H01M 4/583(2010.01)
H01M 10/054(2010.01)
(54)发明名称
一种铝硫电池用正极材料及其制备方法和
应用
(57)摘要
本发明提供了一种铝硫电池用正极材料及
其制备方法和应用，属于电化学和新能源产品领
域，具有促进多硫化物转化的作用，能够提高电
池循环性能及使用寿命。

本发明将氧化石墨烯分
散液和钴盐溶液混合，冷冻干燥后进行高温煅
烧，得到所述钴单原子氮掺杂石墨烯，所述钴单
原子氮掺杂石墨烯为纳米片状结构，且表面有褶
皱。

本发明制备方法简单、
适用于工业化生产。

权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 112259713 A 2021.01.22
C N 112259713
A
1.一种铝硫电池用正极材料，其特征在于，所述正极材料为钴单原子氮掺杂石墨烯。

2.根据权利要求1所述的铝硫电池用正极材料，其特征在于，所述钴单原子氮掺杂石墨烯为纳米片状结构。

3.根据权利要求2所述的铝硫电池用正极材料，其特征在于，所述纳米片状结构表面有褶皱。

4.一种铝硫电池用正极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将钴盐溶解在去离子水中，充分搅拌溶解配制成浓度为1-6 mg/mL的钴盐溶液；
步骤S2：将一定量的氧化石墨烯超声分散在去离子水中，再将步骤S1得到的钴盐溶液加入氧化石墨烯分散液中混合均匀；
步骤S3：将步骤S2得到的混合溶液进行冷冻干燥，将干燥后的材料在一定的气体氛围下，控制5 ℃/min的升温速率，在600-900 ℃下反应2-6 h后自然冷却至室温；
步骤S4：将步骤S3得到的反应后的样品洗涤干燥得到引入钴单原子的氮掺杂石墨烯。

5.根据权利要求4所述的铝硫电池用正极材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯和钴盐质量比为100:1～10:1。

6.根据权利要求4所述的铝硫电池用正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述钴盐为：六水合氯化钴、六水合硝酸钴、四水合乙酸钴、七水合硫酸钴中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的铝硫电池用正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述气体氛围为氩气、氮气、氨气或氩氢混合气，所述的气体的纯度为98%-99.999%，所述载气的流速为100～500 sccm。

8.根据权利要求4或7所述的铝硫电池用正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中所述气体氛围为氨气；所述载气的流速为200～300 sccm。

9.根据权利要求4所述的铝硫电池用正极材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中反应温度为750 ℃，反应时间为2-3 h。

10.权利要求1-9任一项中所述钴单原子氮掺杂石墨烯在电池中的应用。

权　利　要　求　书1/1页CN 112259713 A
一种铝硫电池用正极材料及其制备方法和应用
技术领域
[0001]本发明属于电化学和新能源产品领域，尤其涉及一种铝硫电池用正极材料及其制备方法和应用。

背景技术
[0002]以锂离子电池为代表的化学电源近年来得到了快速的发展，锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽等优点。

硫(S8)作为转换型正极材料具有高的比容量(1675 mAh/g)，而且价格低廉、环境友好，受到了储能领域的极大关注。

金属锂(Li)作为电池负极材料具有技术成熟、 能量密度高等优点，但是其价格较高，且锂枝晶的安全问题也限制了其进一步应用。

[0003]金属铝(Al)作为一种轻质、成本低廉且能量密度高的负极材料也是高功率高密度储能体系中的佼佼者。

铝硫(Al-S)电池是以金属铝为负极、硫为正极的二次储能体系。

铝和硫都是高容量的多电子转化电极材料，所以Al-S电池的能量密度高达1340 Wh/kg，是具有很大应用前景的下一代储能系统。

[0004]Al-S电池中，由于硫的还原和氧化是多步反应，离子液体电解质中放电产物Al2Cl7-离子不容易解离导致电化学动力学很慢，一般电化学反应速率决定于最慢的那一步。

Al-S电池的充-放电过程的缓慢动力学，使得Al和S之间很难实现可逆的电化学反应。

由于反应动力学迟缓，硫和铝之间的电化学反应的可逆性较差，与循环寿命较长（>500次循环）的锂硫电池相比，铝硫电池的应用有限。

发明内容
[0005]本发明提供了一种铝硫电池用正极材料及其制备方法和应用，在氮掺杂石墨烯上引入钴单原子，制备得到的钴单原子氮掺杂石墨烯（rGO-CoN）应用于铝硫电池的正极中，具有促进多硫化物转化的作用，能够提高电池循环性能及使用寿命。

[0006]为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种铝硫电池用正极材料，所述正极材料为钴单原子氮掺杂石墨烯，所述钴单原子氮掺杂石墨烯为纳米片状结构，且表面有褶皱。

[0007]一种铝硫电池用正极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：将钴盐溶解在去离子水中，充分搅拌溶解配制成浓度为1-6mg/mL的钴盐溶液；
步骤S2：将一定量的氧化石墨烯超声分散在去离子水中，再将步骤S1得到的钴盐溶液加入氧化石墨烯分散液中混合均匀；
步骤S3：将步骤S2得到的混合溶液进行冷冻干燥，将干燥后的材料在一定的气体氛围下，控制在5 ℃/min的升温速率，在600-900 ℃下反应2-6 h，反应结束后自然冷却至室温；
步骤S4：将步骤S3得到的反应后的样品洗涤干燥得到引入钴单原子的氮掺杂石墨烯。

[0008]以上所述步骤中，所述氧化石墨烯和钴盐质量比为100:1～10:1；
步骤S1中所述钴盐为：六水合氯化钴、六水合硝酸钴、四水合乙酸钴、七水合硫酸钴中
的一种或多种；
步骤S3中所述气体氛围为氩气、氮气、氨气或氩氢混合气，优先为氨气；所述的气体的纯度为98%-99.999%；所述载气的流速为100～500 sccm，优选为200～300 sccm；
所述反应温度优选750 ℃条件，反应时间优选2 h。

[0009]以上所述的钴单原子氮掺杂石墨烯在电池中的应用。

[0010]有益效果：本发明提供了一种铝硫电池用正极材料及其制备方法和应用，将氧化石墨烯分散液和钴盐溶液混合，冷冻干燥后进行高温煅烧，得到所述钴单原子氮掺杂石墨烯，本发明制备方法简单、适用于工业化生产，将所得的rGO-CoN/S复合材料制备成电极，组装软包电池进行电化学测试，rGO-CoN/S的首圈放电比容量为1040 mAh/g，随着循环的进行，rGO-CoN/S前5圈比容量衰减比较明显，之后衰减程度明显降低，12次循环后没有明显衰减，基本稳定在450 mAh/g左右，20次循环后库伦效率为87%，以活性物质S为基础，经计算体积能量密度为2454 Wh /L。

rGO-CoN的石墨烯网络具有丰富的催化反应活性位点，石墨烯片层具有超高的电导率，加速了电子传输速率，使电池的极化减小；石墨烯的片层结构也有利于电解液的渗透以及活性离子的转移，丰富的催化活性位点、优异的电子传输及离子转移的特性，提高了活性物质的利用率及反应动力学，使得比容量及稳定性都得以提高。

附图说明
[0011]图1是本发明实施例1中的钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片的SEM图；
图2是本发明实施例1中的钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片的XRD图；
图3是本发明实施例2中的铝硫电池的首圈充放电比容量图；
图4是本发明实施例2中的铝硫电池的循环稳定性图。

具体实施方式
[0012]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
本发明提供了一种铝硫电池用正极材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：将氧化石墨烯分散液和钴盐溶液混合，冷冻干燥后进行高温煅烧，得到所述钴单原子氮掺杂石墨烯。

[0013]所述钴盐优选为四水合乙酸钴、六水合硝酸钴、六水合氯化钴和七水合硫酸钴中任一种或几种组合使用；当所述钴源为上述具体选择中的两种以上时，本发明对所述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。

[0014]在本发明中，所述氧化石墨烯和所述钴盐的质量比为100:1～10:1；所述钴盐溶液中的钴的浓度最优为3 mg/mL,所述氧化石墨烯分散液的浓度最优为1 mg/mL。

[0015]所述高温煅烧的载气为氩气、氮气、氨气或氩氢混合气，优选为氨气，所述载气的流速优选为100～500 sccm，更优选为200～300 sccm；所述煅烧的温度为600～900 ℃，优选为600～750 ℃；所述煅烧的时间优选为2～6 h，更优选为2～3 h。

[0016]若无特殊说明，所有原料组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。

[0017]本发明还提供了上述技术方案所述的钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片在电极材料中的应用；将上述制备的钴单原子氮掺杂石墨烯与升华硫一起研磨30 min后，用安瓿瓶密封后于155 ℃烘箱中加热12 h，得到的产物记为rGO-CoN/S，将rGO-CoN/S和乙炔黑、聚四氟
乙烯粉末按70:20:10的质量比研磨均匀，以蒸馏水作为溶剂充分搅拌至糊状，得到正极极浆料；将所述浆料涂覆至钼箔表面；在60 ℃下真空干燥12 h后，剪裁成合适大小的正极片；以金属铝作为负极，采用玻璃纤维为隔膜，以EMImCl/AlCl3离子液体(摩尔比为1:1.3)为电解液，在充满氩气的手套箱中组装成软包电池，然后在LANDdt电池测试系统上进行电化学性能测试。

[0018]实施例1
将100 mg氧化石墨烯分散在100 mL去离子水中，并用超声辅助分散3 h，取1 mL的3 mg/mL的氯化钴水溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌均匀后冷冻干燥，将冻干后产物移入瓷舟中，于管式炉中在氨气气流下750 ℃煅烧2 h，得到的产物用蒸馏水洗涤干燥后即为钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片。

将得到的产物与升华硫一起研磨30 min后，用安瓿瓶密封后于155 ℃烘箱中加热12 h，得到的产物记为rGO-CoN/S。

[0019]将上述得到的钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片进行SEM测试和XRD测试，测试结果依次如图1和图2；由图1可知rGO-CoN具有类似石墨烯的片状结构，且表面具有褶皱。

由图2通过熔融扩散法将元素S浸渍在rGO-CoN基体中，得到S负载的rGO-CoN/S，图中显示了S的正交S8结构的峰，这些峰在rGO-CoN中并不存在，而在rGO-CoN/S中均有二者的特征峰，说明S很好的扩散在了纳米片表面。

[0020]将本实例1中制备得到的rGO-CoN/S按照7:2:1的质量比与乙炔黑和PTFE研磨均匀，以蒸馏水为溶剂充分搅拌至糊状，得到正极浆料，并将所述浆料涂覆至钼箔表面。

在60 ℃下真空干燥12 h，剪裁成合适大小的极片。

以金属铝作为负极，制得的电极材料作为正极，采用玻璃纤维滤膜作为隔膜，以EMImAlCl4离子液体（摩尔比EMImCl:AlCl3=1:1.3）为电解液，在充满氩气的手套箱中组装软包电池，，然后在LANDdt电池测试系统上进行电化学性能测试。

[0021]测试结果如图3图4所示，由图4可知50 mA/g的电流密度下rGO-CoN/S的首圈放电比容量为1040 mAh/g，随着循环的进行，rGO-CoN/S前5圈比容量衰减比较明显，之后衰减程度明显降低，12次循环后没有明显衰减，基本稳定在470 mAh/g左右，20次循环后库伦效率为87% ，以活性物质S为基础，经计算体积能量密度为2454 Wh/L，具有良好的循环稳定性。

[0022]实施例2
将100 mg氧化石墨烯分散在100 mL去离子水中，并用超声辅助分散3 h，取2 mL的3 mg/mL的氯化钴水溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌均匀后冷冻干燥。

将冻干后产物移入瓷舟中，于管式炉中在氨气气流下750 ℃煅烧2 h，得到的产物用蒸馏水洗涤干燥后即为钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片。

将得到的产物与升华硫一起研磨30 min后，用安瓿瓶密封后于155 ℃烘箱中加热12 h，得到的产物记为rGO-CoN/S。

[0023]极片和软包电池制备以及电化学测试过程参考实施例1，测试结果为50 mA/g的电流密度下rGO-CoN/S-2的首圈放电比容量为980 mAh/g。

随着循环的进行，rGO-CoN/S前5圈比容量衰减比较明显，之后衰减程度明显降低，12次循环后没有明显衰减，基本稳定在450 mAh/g左右。

20次循环后库伦效率为88% ，具有良好的循环稳定性。

[0024]实施例3
将100 mg氧化石墨烯分散在100 mL去离子水中，并用超声辅助分散3 h，取3 mL的3 mg/mL的氯化钴水溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌均匀后冷冻干燥。

将冻干后产物移入
瓷舟中，于管式炉中在氨气气流下750 ℃煅烧2 h，得到的产物用蒸馏水洗涤干燥后即为钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片。

将得到的产物与升华硫一起研磨30 min后，用安瓿瓶密封后于155 ℃烘箱中加热12 h，得到的产物记为rGO-CoN/S-3。

[0025]极片和软包电池制备以及电化学测试过程参考实施例1，测试结果为50 mA/g的电流密度下rGO-CoN/S-3的首圈放电比容量为952 mAh/g。

随着循环的进行，rGO-CoN/S前5圈比容量衰减比较明显，之后衰减程度明显降低，12次循环后没有明显衰减，基本稳定在465 mAh/g左右。

20次循环后库伦效率为85.5% ，具有良好的循环稳定性。

[0026]实施例4
将100 mg氧化石墨烯分散在100 mL去离子水中，并用超声辅助分散3 h，取4 mL的3 mg/mL的氯化钴水溶液加入氧化石墨烯分散液中，搅拌均匀后冷冻干燥。

将冻干后产物移入瓷舟中，于管式炉中在氨气气流下750 ℃煅烧2 h，得到的产物用蒸馏水洗涤干燥后即为钴单原子氮掺杂石墨烯纳米片。

将得到的产物与升华硫一起研磨30 min后，用安瓿瓶密封后于155 ℃烘箱中加热12h，得到的产物记为rGO-CoN/S-3。

[0027]极片和软包电池制备以及电化学测试过程参考实施例1，测试结果为50mA/g的电流密度下rGO-CoN/S-4的首圈放电比容量为970 mAh/g。

随着循环的进行，rGO-CoN/S前5圈比容量衰减比较明显，之后衰减程度明显降低，12次循环后没有明显衰减，基本稳定在402 mAh/g左右。

20次循环后库伦效率为83% ，具有良好的循环稳定性。

[0028]以上所述仅为本发明的优选实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

图1
图2
图3
图4。