一種利用脫脂棉制得的C/Ni/S復合材料及其制備方法和應用
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池正極材料領域，具體涉及一種利用脫脂棉制得的C/Ni/S復合材料及其制備方法和應用。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池作為新型高能量密度二次電池，已成為各國研宄開發(fā)的重點和熱點。在正、負極材料的選擇上，正極材料必須選擇高電位的嵌鋰化合物，負極材料必須選擇低電位的嵌鋰化合物。正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，與電池的電化學性能密切相關。過渡金屬氧化物和磷酸鹽材料是目前主要的產(chǎn)業(yè)化正極材料，但其實際比容量不超過300mAh/g。為滿足動力電池高比能量和高比功率的使用要求，近幾年以硫與碳的復合材料為正極材料的鋰硫電池備受關注。硫的理論比容量為1675mAh/g，鋰硫電池的理論能量密度高達2600Wh/kg。單質(zhì)硫具有來源豐富、對環(huán)境友好、價格便宜、電池安全性好等優(yōu)點。因此，鋰硫電池是非常有發(fā)展前景的高能量密度二次電池。
[0003]脫脂棉來自于棉花，棉花又廣泛存在自然界中和廢棄的衣服中。這些生物材料能夠在高溫碳化后留下很好的原始形貌，為制備電極材料提供了很好的生物模板。傳統(tǒng)鋰硫電池大部分是通過介孔碳材料來實現(xiàn)儲硫，這種方法不僅價格昂貴而且對環(huán)境污染大，已近不能滿足綠色環(huán)保，低碳經(jīng)濟的要求。選用脫脂棉作為研宄對象，是一個非常重要并且有意義的課題。絕大多數(shù)棉制衣服在破舊后都會被焚燒或丟棄，棉制衣服不但沒有得到充分的利用，并且對環(huán)境造成嚴重污染。只有少數(shù)的棉制衣服被加工重新和再利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明第一個目的是提供一種利用脫脂棉制得的C/Ni/S復合材料的制備方法，該C/Ni/S復合材料來源于脫脂棉，原料來源廣泛且具有廢物利用的特點，制備工藝簡單，對環(huán)境友好，易于工業(yè)化實施。
[0005]本發(fā)明第二個目的是提供所述C/Ni/S復合材料作為鋰離子電池正極材料的應用。
[0006]本發(fā)明的第三個目的是提供一種以所述C/Ni/S復合材料作為正極材料的鋰離子電池。
[0007]下面具體說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0008]本發(fā)明提供了一種利用脫脂棉制得的C/Ni/S復合材料的制備方法，棉制衣服因為破舊，常被丟棄處理，然而將這些衣服進行脫脂處理后，就能當作生物模板，在其表面合成出多孔的C/Ni復合材料。再通過將其和S復合來制備C/Ni/S復合材料。
[0009]本發(fā)明的創(chuàng)新點在于對廢舊棉制衣服的充分利用來制備C/Ni/S復合材料。具體而言，一種利用脫脂棉制得的C/Ni/S復合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0010](I)脫脂棉洗凈之后干燥，得到干燥后的脫脂棉；
[0011](2)把干燥后的脫脂棉置于由NiS04、K2S2OjP水組成的混合溶液中，并加入氨水，攪拌10?60min后洗凈、干燥，得到干燥后的樣品；
[0012](3)將干燥后的樣品與聚苯乙烯的二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合，然后在氮氣或氬氣保護下以5?20°C /min的升溫速率升至300?1000°C進行碳化，碳化后冷卻、研磨得到C/Ni復合材料；
[0013](4)取升華硫粉末溶于二硫化碳(CS2)中，得到含有升華硫的二硫化碳溶液，將C/Ni復合材料與含有升華硫的二硫化碳溶液混合，攪拌至二硫化碳全部揮發(fā)，研磨揮發(fā)后的粉末；
[0014](5)取研磨后的粉末放入120?180°C烘箱中6?18h，冷卻、研磨得到C/Ni/S復合材料。
[0015]步驟⑵中，所述的由NiS04、K2S2OjP水組成的混合溶液制備包括:配置濃度0.1?0.5mol/L的NiSCVK溶液和0.05?0.3mol/L的K品08水溶液按體積比4:1?5混合得到。所述的氨水的質(zhì)量百分數(shù)為10%?30%，具體是指氨水中氨的質(zhì)量百分數(shù)。所述的氨水與NiSO4水溶液的體積比為0.5?2:4。
[0016]步驟(3)中，所述的聚苯乙烯的二甲基甲酰胺溶液中聚苯乙烯的質(zhì)量分數(shù)為5%?20%，優(yōu)選為5?15%，最優(yōu)選為10%。其中干燥后的樣品(即預炭化后的樣品)與聚苯乙烯的二甲基甲酰胺溶液的投料比沒有特別要求，本領域技術(shù)人員可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整。
[0017]步驟(3)中，升溫速率優(yōu)選為5?18°C /min,更優(yōu)選為5?10°C /min,最優(yōu)選為5 0C /min ;碳化溫度優(yōu)選為300?800 °C，更優(yōu)選為500?600 °C，最優(yōu)選為600 °C ;碳化時間優(yōu)選為2?7小時，優(yōu)選2?4小時，最優(yōu)選2小時。
[0018]作為優(yōu)選，所述的利用脫脂棉制得的C/Ni/S復合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0019](I)脫脂棉洗凈，進行鼓風干燥，得到干燥后的脫脂棉；
[0020](2)配置濃度0.3mol/L的NiSO4水溶液和0.lmol/L的K品08水溶液，然后按體積比4:3混合，把干燥后的脫脂棉置于其中并加入質(zhì)量分數(shù)為25%的氨水，氨水與NiSO4水溶液的體積比為1:4，攪拌30min后洗凈、烘干，得到干燥后的樣品；
[0021](3)將干燥后的樣品與質(zhì)量分數(shù)為5%?15%的二甲基甲酰胺溶液混合，然后在氮氣或氬氣保護下以5?10°C /min的升溫速率升至500?600°C進行碳化，碳化后冷卻、研磨得到C/Ni復合材料。
[0022](4)取升華硫粉末溶于二硫化碳(CS2)中，得到含有升華硫的二硫化碳溶液，將研磨后的C/Ni復合材料與含有升華硫的二硫化碳溶液混合，攪拌至二硫化碳全部揮發(fā)，研磨揮發(fā)后的粉末。
[0023](5)取研磨后的粉末，密封后放入150°C烘箱中12h，冷卻、研磨得到C/Ni/S復合材料。
[0024]所述的制備方法制得的C/Ni/S復合材料可作為鋰離子電池正極材料的應用，將C/Ni/S復合材料作為鋰離子電池正極材料按現(xiàn)有方法制備鋰離子電池正極。
[0025]將鋰離子電池正極采用現(xiàn)有方法制備鋰離子電池。即所述的C/Ni/S復合材料作為正極材料的鋰離子電池。
[0026]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果主要體現(xiàn)在:
[0027]—、本發(fā)明中脫脂棉是作為生物模板和部分碳源，其是一種對廢棄棉制衣服脫脂處理，再在其表面合成多孔C/Ni材料，并且是一種廢物利用的環(huán)保行為。
[0028]二、所用的原材料來源廣泛、易得到，易于工業(yè)化實施；制備工藝簡單，無廢氣廢水排放，因而對環(huán)境友好。
[0029]三、本發(fā)明在脫脂棉的基礎上，使用化學合成方法在表面生成多孔材料，再聚苯乙烯進行碳包覆，制得多孔C/Ni復合材料，最后將C/Ni與S復合，制備出C/Ni/S復合材料作為鋰離子電池正極材料應用時表現(xiàn)出良好的循環(huán)性能、容量保持率和庫倫效率。
【附圖說明】
[0030]圖1是實施例1所制備的模擬鋰離子電池的循環(huán)性能的圖；
[0031]圖2是實施例1所制備的C/Ni/S復合材料的XRD衍射圖。
【具體實施方式】
[0032]下面以具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于此。
[0033]實施例1
[0034]脫脂棉洗凈，進行鼓風干燥。配置濃度0.3mol/L的NiSO4溶液80ml和0.lmol/L的K2S2O8溶液60ml，并將其混合，把干燥后的脫脂棉置于其中并加入20ml質(zhì)量分數(shù)為25%的氨水中，攪拌30min后洗凈、烘干。使烘干后的樣品與質(zhì)量分數(shù)為10%的聚苯乙烯的DMF溶液混合，然后在氮氣保護下以5°C /min的升溫速率升至600°C進行碳化，碳化后冷卻、研磨得到C/Ni復合材料。取升華硫粉末溶于CS2*，將研磨后的C/Ni復合材料與含有升華硫的CS2S液混合，攪拌至CS 2溶液全部揮發(fā)，研磨揮發(fā)后的粉末。取研磨后的粉末至于稱量瓶中，密封后放入150°C烘箱中12h，冷卻、研磨得到C/Ni/S復合材料。
[0035]圖2為該材料的XRD衍射圖，對照標準卡，C/Ni/S。
[0036]用實施例1所制得的C/Ni/S復合材料按下述方法制成電極。
[0037]以80:10:10的質(zhì)量比分別稱取C/Ni/S復合材料:super_P (純黑色極細粉末):聚偏四氟乙烯，研磨均勻后，均勻涂覆在鋁箔表面，然后在90°C下烘干12h，經(jīng)壓