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一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法   0    0

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专利申请流程有哪些步骤?
专利申请流程图
申请
申请号:指国家知识产权局受理一件专利申请时给予该专利申请的一个标示号码。唯一性原则。
申请日:提出专利申请之日。
2021-03-24
申请公布
申请公布指发明专利申请经初步审查合格后,自申请日(或优先权日)起18个月期满时的公布或根据申请人的请求提前进行的公布。
申请公布号:专利申请过程中,在尚未取得专利授权之前,国家专利局《专利公报》公开专利时的编号。
申请公布日:申请公开的日期,即在专利公报上予以公开的日期。
2021-07-30
授权
授权指对发明专利申请经实质审查没有发现驳回理由,授予发明专利权;或对实用新型或外观设计专利申请经初步审查没有发现驳回理由,授予实用新型专利权或外观设计专利权。
2022-05-06
预估到期
发明专利权的期限为二十年,实用新型专利权期限为十年,外观设计专利权期限为十五年,均自申请日起计算。专利届满后法律终止保护。
2041-03-24
基本信息
有效性 有效专利 专利类型 发明专利
申请号 CN202110313378.7 申请日 2021-03-24
公开/公告号 CN113113592B 公开/公告日 2022-05-06
授权日 2022-05-06 预估到期日 2041-03-24
申请年 2021年 公开/公告年 2022年
缴费截止日
分类号 H01M4/38H01M4/13H01M4/62H01M10/052 主分类号 H01M4/38
是否联合申请 独立申请 文献类型号 B
独权数量 1 从权数量 2
权利要求数量 3 非专利引证数量 1
引用专利数量 0 被引证专利数量 0
非专利引证 1、JP 2018154921 A,2018.10.04CN 104403131 A,2015.03.11CN 107482198 A,2017.12.15CN 106099108 A,2016.11.09CN 111785531 A,2020.10.16CN 108503896 A,2018.09.07CN 109962222 A,2019.07.02CN 111554891 A,2020.08.18CN 110212180 A,2019.09.06Shiqi Li.Ferroconcrete-inspiredconstruction of self-supporting Li2Scathode for high-performance lithium–sulfur batteries《.Microporous andMesoporous Materials》.2019,Shiqi Li.Bacterial cellulose derivedcarbon nanofiber aerogel with lithiumpolysulfide catholyte for lithiumesulfurbatteries《.Carbon》.2017,;
引用专利 被引证专利
专利权维持 1 专利申请国编码 CN
专利事件 许可 事务标签 公开、实质审查、授权、实施许可
申请人信息
申请人 第一申请人
专利权人 杭州电子科技大学 当前专利权人 杭州电子科技大学
发明人 李仕琦、王锋、冷丹、汶飞、李丽丽 第一发明人 李仕琦
地址 浙江省杭州市下沙高教园区二号路 邮编 310018
申请人数量 1 发明人数量 5
申请人所在省 浙江省 申请人所在市 浙江省杭州市
代理人信息
代理机构
专利代理机构是经省专利管理局审核,国家知识产权局批准设立,可以接受委托人的委托,在委托权限范围内以委托人的名义办理专利申请或其他专利事务的服务机构。
浙江永鼎律师事务所 代理人
专利代理师是代理他人进行专利申请和办理其他专利事务,取得一定资格的人。
陆永强
摘要
本发明公开了一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法,包括以下步骤:步骤S1,制备硫代硫酸钠/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料;步骤S2,将硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料中的细菌纤维素转化成碳纳米纤维,从而形成一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维的气凝胶复合材料。采用本发明的技术方案,能够构造出碳纳米纤维网状结构,并且结构中的硫被纳米颗粒有效包覆,增加电极中的电子导电性,提高电极中电子的传输效率。该技术方案可以提供一种新型的制造电极材料的制备方法。
  • 摘要附图
    一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法
  • 说明书附图:图1
    一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法
  • 说明书附图:图2
    一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法
法律状态
序号 法律状态公告日 法律状态 法律状态信息
1 2022-11-01 专利实施许可合同备案的生效 IPC(主分类): H01M 4/38 合同备案号: X2022330000550 专利申请号: 202110313378.7 申请日: 2021.03.24 让与人: 杭州电子科技大学 受让人: 深圳华芯慧技术有限公司 发明名称: 一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法 申请公布日: 2021.07.13 授权公告日: 2022.05.06 许可种类: 普通许可 备案日期: 2022.10.14
2 2022-05-06 授权
3 2021-07-30 实质审查的生效 IPC(主分类): H01M 4/38 专利申请号: 202110313378.7 申请日: 2021.03.24
4 2021-07-13 公开
权利要求
权利要求书是申请文件最核心的部分,是申请人向国家申请保护他的发明创造及划定保护范围的文件。
1.一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1,制备硫代硫酸钠/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料;
步骤S2,将硫代硫酸钠/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料中的细菌纤维素转化成碳纳米纤维,从而形成一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维的气凝胶复合材料;
其中,所述步骤S1进一步包括以下步骤:
S10:将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗,去除杂质,并将水凝胶中的水去除;
S11:配制硫代硫酸钠、碳纳米管水溶液,并将细菌纤维素放入溶液中浸泡30~50分钟,使细菌纤维素充分吸收该溶液;
所述步骤S2进一步包括以下步骤:
S20:将吸收好的细菌纤维素放入稀盐酸中进行搅拌,与硫代硫酸钠反应生成硫沉积到碳纳米管上,得到硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶;
S21:将水凝胶放入管式炉中,在氩气气氛环境保护下,升温至50℃~100℃干燥2~4小时后自热降温,得到成品硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。

2.根据权利要求1所述的硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,在步骤S11中,硫代硫酸钠、碳纳米管、水的质量之比为1:0.6:80。

3.根据权利要求1所述的硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法,其特征在于,在步骤S21中,在氩气气氛保护下,以2℃/min的速率加热至50℃~100℃并保持2小时。
说明书

技术领域

[0001] 本发明属于锂硫电池技术领域,尤其涉及一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 在过去的几十年时间里,能源短缺问题越来越严重。随着科学技术的发展,人们对储能系统和化学电源提出了更高的要求。单质硫在地球中储量丰富,具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池,其材料理论比容量和电池理论比能量较高,分别达到1675m Ah/g和2600Wh/kg。因此被认为是最有前途的下一代锂离子电池之一。
[0003] 锂硫电池主要存在三个主要问题:1、锂多硫化合物易溶解于有机电解液并引发“穿梭效应”,造成活性物质损失,降低了电池的电化学性能;2、硫作为不导电的物质,导电性非常差,不利于电池的高倍率性能;3、硫在充放电过程中,体积的扩大缩小非常大,有可能导致电池损坏。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术存在的技术问题,本发明提出一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法,基于细菌纤维素水凝胶制备电极材料,使碳纳米管硫代硫酸钠溶液进入水凝胶中,经过升温干燥后转化为硫碳纳米管/碳纳米纤维复合结构,从而能提供一种制备电极的新型结构。该方案在制备电极的过程中不需要添加黏合剂,应用于锂硫电池中。
[0005] 为了解决现有技术存在的技术技术问题,本发明的技术方案如下:
[0006] 一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合电极材料的制备方法,利用细菌纤维素水凝胶制备硫自支撑复合材料的锂硫电池正极材料,包括以下步骤:
[0007] 步骤S1,制备硫代硫酸钠/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料;
[0008] 步骤S2,将硫代硫酸钠/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料中的细菌纤维素转化成碳纳米纤维,从而形成一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维的气凝胶复合材料;
[0009] 其中,所述步骤S1进一步包括以下步骤:
[0010] S10:将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗,去除杂质,并将水凝胶中的水去除;
[0011] S11:配制硫代硫酸钠、碳纳米管水溶液,并将细菌纤维素放入溶液中浸泡 30~50分钟,使细菌纤维素充分吸收该溶液。
[0012] 所述步骤S2进一步包括以下步骤:
[0013] S20:将吸收好的细菌纤维素放入稀盐酸中进行搅拌,与硫代硫酸钠反应生成硫沉积到碳纳米管上,得到硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶;
[0014] S21:将水凝胶放入管式炉中,在氩气气氛环境保护下,升温至50℃~100℃干燥2~4小时后自热降温,即可得到成品硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0015] 作为优选的技术方案,在步骤S11中,室温下,硫代硫酸钠、碳纳米管、水的质量之比为1:0.6:80。
[0016] 作为优选的技术方案,在步骤S21中,在氩气气氛保护下,以2℃/min的速率加热至50℃~100℃并保持2小时。
[0017] 本发明还公开了一种锂硫电池,该锂硫电池正极材料采用硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0018] 相对于现有技术,本发明的有益效果如下:
[0019] (1)细菌纤维素结构精细,可达纳米级,高温碳化后转换成了碳纳米纤维网状结构,该网状结构有利于电极中电子以及电解液中锂离子的传输。
[0020] (2)碳纳米管使硫颗粒更好地被碳材料有效包覆,既能提高电极的电子导电性,又能抑制“穿梭效应”。
[0021] (3)所构筑正极为自支撑电极,故不需要添加导电剂和黏合剂,既有利于电极电子导电,又有利于提高电极中活性物质的含量和载量,且能简化电池安装工艺。

实施方案

[0025] 为了能更好说明本发明的流程和方案,结合附图和实施例对以下发明进行进一步的说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0026] 细菌纤维素与植物纤维素相比具有高结晶度(可达95%,植物纤维素的为 65%)和高的聚合度(DP值2 000~8 000),细菌纤维素吸水能力强、抗张强度高、合成时有可调控性。利用上述技术特点,本发明提出一种利用细菌纤维素水凝胶制备硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料的锂硫电池正极材料的方法,参见图1,包括以下步骤:
[0027] 步骤S1,制备硫代硫酸钠/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料;
[0028] 步骤S2,将硫代硫酸钠/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶复合材料中的细菌纤维素转化成碳纳米纤维,从而形成一种硫/碳纳米管/碳纳米纤维的气凝胶复合材料;
[0029] 其中,所述步骤S1进一步包括以下步骤:
[0030] S10:将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗,去除杂质,并将水凝胶中的水去除;
[0031] S11:配制硫代硫酸钠、碳纳米管水溶液,并将细菌纤维素放入溶液中浸泡 30~50分钟,使细菌纤维素充分吸收该溶液。
[0032] 所述步骤S2进一步包括以下步骤:
[0033] S20:将吸收好的细菌纤维素放入稀盐酸中进行搅拌,与硫代硫酸钠反应生成硫沉积到碳纳米管上,得到硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶;
[0034] S21:将水凝胶放入管式炉中,在氩气气氛环境保护下,升温至50℃~100℃干燥2~4小时后自热降温,即可得到成品硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0035] 上述技术方案中,碳纳米管使硫更好地包覆,再除去细菌纤维素原有的水分;再通过升温干燥制成硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0036] 实例化1
[0037] 将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗,去除杂质,并将水凝胶中的水去除。室温下按质量比7:10.2:14配制硫代硫酸钠、碳纳米管水溶液,并将细菌纤维素放入溶液中浸泡30~50分钟,使细菌纤维素充分吸收该溶液。再将吸收好的细菌纤维素放入稀盐酸中进行搅拌,与硫代硫酸钠反应生成硫沉积到碳纳米管上,得到硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶。将水凝胶放入管式炉中,在氩气气氛环境保护下,升温至50~100℃,干燥2小时,自热降温后取出,即可得到硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0038] 实例化2将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗,去除杂质,并将水凝胶中的水去除。室温下按质量比2:4.6:5配制硫代硫酸钠、碳纳米管水溶液,并将细菌纤维素放入溶液中浸泡30~50分钟,使细菌纤维素充分吸收该溶液。再将吸收好的细菌纤维素放入稀盐酸中进行搅拌,与硫代硫酸钠反应生成硫沉积到碳纳米管上,得到硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶。将水凝胶放入管式炉中,在氩气气氛环境保护下,升温至50~100℃,干燥2小时,自热降温后取出,即可得到硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0039] 实例化3
[0040] 将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗,去除杂质,并将水凝胶中的水去除。室温下按质量比7:10.2:14配制硫代硫酸钠、碳纳米管水溶液,并将细菌纤维素放入溶液中浸泡30~50分钟,使细菌纤维素充分吸收该溶液。再将吸收好的细菌纤维素放入稀盐酸中进行搅拌,与硫代硫酸钠反应生成硫沉积到碳纳米管上,得到硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶。将水凝胶放入管式炉中,在氩气气氛环境保护下,升温至70~120℃,干燥2小时,自热降温后取出,即可得到硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0041] 实例化4
[0042] 将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗,去除杂质,并将水凝胶中的水去除。室温下按质量比9:11.6:16:360配制硫代硫酸钠、碳纳米管水溶液,并将细菌纤维素放入溶液中浸泡30~50分钟,使细菌纤维素充分吸收该溶液。再将吸收好的细菌纤维素放入稀盐酸中进行搅拌,与硫代硫酸钠反应生成硫沉积到碳纳米管上,得到硫/碳纳米管/细菌纤维素水凝胶。将水凝胶放入管式炉中,在氩气气氛环境保护下,升温至50~100℃,干燥4小时,自热降温后取出,即可得到硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料。
[0043] 图2为本发明实例化1的硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料在扫描电镜下观测到的SEM图像,从图中可以看出。
[0044] 进一步的,将上述所得的硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料切成直径为 16mm的圆形电极片并组装电池。
[0045] 具体组装过程如下:在湿度和氧气浓度低于1ppm,充满氩气保护的手套箱中,使用LIR2032硬币型电池组装电池。其中硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料为正极,Celgard2325作为隔膜,1mLiTFSI溶解在1,3‑二氧戊环(DOL)和乙二醇二甲醚(DME)(体积比1:1)为电解液。
[0046] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0047] 对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

附图说明

[0022] 图1为本发明的硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料制备方法的步骤流程图;
[0023] 图2为本发明实例化1的硫/碳纳米管/碳纳米纤维复合材料在扫描电镜下观测到的SEM图像;
[0024] 如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
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