一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法
阅读说明：本技术 一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法 (Method for preparing carbon/lithium sulfide positive electrode composite material by using industrial butyl lithium ) 是由 李良彬 廖萃 叶明� 潘志芳 胡志华 胡中 张建勇 廖毛女 曾飞强 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法。所述利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法包括以下步骤：步骤A：在惰性气体条件下,500ml工业级正丁基锂溶液(2.5mol/L)与1.5～2.5L正己烷充分混合得到混合溶液,并将得到的混合溶液装入密闭容器中；步骤B：在密闭条件下,先将H-2S气体按照速率10.5L/h经过潜管通入洗气瓶中,再经过潜管通入步骤A得到的混合溶液中,反应温度控制为25℃～40℃,并搅拌反应4h～6h,得到反应浆料。本发明的利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法,能够克服现有硫化锂电池体系中循环性能不佳和安全性能不良的问题,所述复合正极材料具有高比容量和长循环寿命,其制备过程简单,应用前景广泛。(The invention discloses a method for preparing a carbon/lithium sulfide positive electrode composite material by using industrial butyl lithium. The method for preparing the carbon/lithium sulfide positive electrode composite material by using the industrial butyl lithium comprises the following steps: step A: under the condition of inert gas, 500ml of industrial grade n-butyllithium solution (2.5mol/L) and 1.5-2.5L of n-hexane are fully mixed to obtain a mixturePutting the obtained mixed solution into a closed container; and B: under the closed condition, firstly, H is added 2 And (3) introducing the S gas into a gas washing bottle through a submerged pipe according to the speed of 10.5L/h, introducing into the mixed solution obtained in the step (A) through the submerged pipe, controlling the reaction temperature to be 25-40 ℃, and stirring for reacting for 4-6 h to obtain reaction slurry. The method for preparing the carbon/lithium sulfide positive electrode composite material by using the industrial-grade butyl lithium can overcome the problems of poor cycle performance and poor safety performance in the conventional lithium sulfide battery system, and the composite positive electrode material has high specific capacity, long cycle life, simple preparation process and wide application prospect.)
技术领域
本发明涉及一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法。
背景技术
锂硫电池由于拥有高的理论比容量和能量密度，价格低廉，对环境的友好性使锂硫电池成为一种绿色、低成本的电池的选择。更重要的是，Li-S电池类似于当前现在锂电池，更便于生产，其生产转换成本相对锂空气电池更划算使其更具商业化应用价值。锂硫电池一般将硫作为正极，一般以锂金属作为负极，但是锂硫电池一系列的寿命和安全的问题，这是阻碍锂硫电池体系实用化的主要制约因素。对于硫电极的改性可以加入大量加入电子导体和锂离子导体，能够在一定程度上提高硫电极的性能。硫化锂作为硫正极的最终放电产物，硫化锂作为正极同样具有高的比容量(1166mAh/g)，且硫化锂可以和石墨匹配组建成锂离子电池，但是硫化锂存在电子导电率低、体积变化、穿梭效应等问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法，能够克服现有硫化锂电池体系中循环性能不佳和安全性能不良的问题，所述复合正极材料具有高比容量和长循环寿命，其制备过程简单，应用前景广泛。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤A：在惰性气体条件下，500ml工业级正丁基锂溶液(2.5mol/L)与1.5~2.5L正己烷充分混合得到混合溶液，并将得到的混合溶液装入密闭容器中；
步骤B：在密闭条件下，先将H2S气体按照速率10.5L/h经过潜管通入洗气瓶中，再经过潜管通入步骤A得到的混合溶液中，反应温度控制为25℃~40℃，并搅拌反应4h~6h，得到反应浆料；
步骤C：将得到上述步骤B得到的硫化锂反应浆料放入真空干燥箱205℃干燥2h，得到烘干后的硫化锂；
步骤D：在惰性条件下，将上述步骤C烘干后的硫化锂放入真空不锈钢密闭的装置中，装置抽气后放入400~500℃气氛炉中，在惰性气体保护中保温2~4h，自然冷却得到碳/硫化锂复合材料。
进一步的，所述步骤A加入的丁基锂为工业级，浓度为2.5mol/L，正己烷的加入量为丁基锂的体积比为3~5:1。
进一步的，所述步骤B中H2S气体先通入洗气瓶进行净化，洗气瓶中装入的物质为硫化锂正己烷混合溶液，H2S气体按照速率10.5L/h通入。
进一步的，所述步骤B气液反应得到的浆料为假稠状硫化锂浆料，其目的就是为了引入足量的碳，保证硫化锂在气氛炉中煅烧能够形成碳/硫化锂复合材料。
进一步的，所述假稠状硫化锂在真真空干燥箱以205℃真空干燥2h，后放入400~500℃气氛炉保温2~4h，促使有机物碳化形成的碳与硫化锂进行包裹混合，形成适用于锂硫电池的正极复合材料。
进一步的，所述惰性气体为氮气或者氩气或者氮气与氩气的混合气体。
相对于现有技术而言，本发明的一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法，其反应机理在于工业级丁基锂（正己烷作为溶剂）含有大量的烯烃物质，而硫化锂在正己烷中溶解度低，硫化锂又是强电解质，生成的硫化锂以离子对形式存在于正己烷中，当反应到达一定程度，就会形成假稠现象，形成以硫化锂为核，吸附大量的丁烯类与正己烷物质为壳胶体，形成凝胶。通过真空烘干205℃，事先去除正己烷，再300～400℃热处理，一方面丁烯类物质碳化包覆在硫化锂表面，能极大的增大硫化锂导电性，另一方面丁烯类物质分解出的气体帮助形成的多孔，一次颗粒在50nm以下的碳/硫化锂复合材料，得到硫化锂含量在85～90%，含碳量在10～15%。这种复合材料具有比表面积大，导电性高，振实密度高，一次颗粒小，不需要过去传统球磨加工，具有操作简单，成本低等特点。
发明的一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法，能够克服现有硫化锂电池体系中循环性能不佳和安全性能不良的问题，所述复合正极材料具有高比容量和长循环寿命，其制备过程简单，应用前景广泛。
具体实施方式
本发明提供一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A（溶液混合）：在惰性气体条件下，500ml工业级正丁基锂溶液(2.5mol/L)与1.5~2.5L正己烷充分混合得到混合溶液，并将所得的混合溶液装入密闭容器中；
步骤B（气液反应）：在密闭条件下，先将H2S气体按照一定速率（10.5L/h）经过潜管通入洗气瓶中，随后再经过潜管通入步骤A得到的混合溶液中，反应温度控制为25℃~40℃，并不断搅拌反应4h~6h，由此得到反应浆料；
步骤C（真空烘干）：将得到上述步骤B得到的硫化锂反应浆料放入真空干燥箱205℃干燥2h，最后即得到烘干后的硫化锂；
步骤D（热处理）：在惰性条件下，将上述步骤C烘干后的硫化锂放入真空不锈钢密闭的装置中，装置抽气后放入400~500℃气氛炉中，在惰性气体保护中保温2~4h，随后自然冷却即得到碳/硫化锂复合材料。
本发明的一种制备高纯硫化锂的方法还可以是：所述步骤A加入的丁基锂为工业级，浓度为2.5mol/L，正己烷的加入量为丁基锂的体积比为3~5:1。
所述步骤B中H2S气体先通入洗气瓶进行净化，洗气瓶中装入的物质为硫化锂正己烷混合溶液，H2S气体按照速率10.5L/h通入，以保证反应的稳定，防止气体通入过快，导致H2S 会有大部分未反应，同时也可以防止反应过快，放出大量的热导致体系的温度变化巨大。
所述步骤B气液反应得到的浆料为假稠状的硫化锂浆料，其目的就是为了引入足量的碳，保证硫化锂在气氛炉中煅烧能够形成碳/硫化锂复合材料，所述假稠状硫化锂在真真空干燥箱以205℃真空干燥2h，后放入400~500℃气氛炉保温2~4h。
所述步骤步骤D的热处理需要在惰性条件下进行保护，需要高温400~500℃在气氛炉中煅烧，促使有机物碳化形成的碳与硫化锂进行包裹混合，形成适用于锂硫电池的正极复合材料。
实施例1
步骤A（溶液混合）：在惰性气体条件下，500ml工业级正丁基锂溶液(2.5mol/L)与1.5L正己烷充分混合得到混合溶液，并将所得的混合溶液装入密闭容器中。
步骤B（气液反应）：在密闭条件下，温度为25℃，先将H2S气体按照一定速率（10.5L/h）经过潜管通入洗气瓶中，随后再经过潜管通入混合溶液中，不断搅拌让其反应6h，至整个浆料至假稠为止，由此得到反应浆料。
步骤C（真空烘干）：将得到的硫化锂反应浆料放入真空干燥箱205℃干燥2h，最后即得到烘干后的硫化锂。
步骤D（热处理）：将真空烘干后的硫化锂放入真空不锈钢密闭的装置中，装置抽后放入400℃气氛炉中，在惰性气体保护中保温4h，随后自然冷却即得到碳/硫化锂复合材料，其中硫化锂含量为90%，碳含量为10%。
实施例2
步骤A（溶液混合）：在惰性气体条件下，500ml工业级正丁基锂溶液(2.5mol/L)与2L正己烷充分混合得到混合溶液，并将所得的混合溶液装入密闭容器中。
步骤B（气液反应）：在密闭条件下，温度为30℃，先将H2S气体按照一定速率（10.5L/h）经过潜管通入洗气瓶中，随后再经过潜管通入混合溶液中，不断搅拌让其反应5h，至整个浆料至假稠为止，由此得到反应浆料。
步骤C（真空烘干）：将得到的硫化锂反应浆料放入真空干燥箱205℃干燥2h，最后即得到烘干后的硫化锂。
步骤D（热处理）：将真空烘干后的硫化锂放入真空不锈钢密闭的装置中，装置抽后放入450℃气氛炉中，在惰性气体保护中保温5h，随后自然冷却即得到碳/硫化锂复合材料，其中硫化锂含量为86.8%，碳含量为13.2%。
实施例3
步骤A（溶液混合）：在惰性气体条件下，500ml工业级正丁基锂溶液(2.5mol/L)与2.5L正己烷充分混合得到混合溶液，并将所得的混合溶液装入密闭容器中。
步骤B（气液反应）：在密闭条件下，温度为30℃，先将H2S气体按照一定速率（10.5L/h）经过潜管通入洗气瓶中，随后再经过潜管通入混合溶液中，不断搅拌让其反应4h，至整个浆料至假稠为止，由此得到反应浆料。
步骤C（真空烘干）：将得到的硫化锂反应浆料放入真空干燥箱205℃干燥2h，最后即得到烘干后的硫化锂。
步骤D（热处理）：将真空烘干后的硫化锂放入真空不锈钢密闭的装置中，装置抽后放入500℃气氛炉中，在惰性气体保护中保温4h，随后自然冷却即得到碳/硫化锂复合材料，其中硫化锂含量为85%，含碳量在15%。
本发明的一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法，其反应机理在于工业级丁基锂（正己烷作为溶剂）含有大量的烯烃物质，而硫化锂在正己烷中溶解度低，硫化锂又是强电解质，生成的硫化锂以离子对形式存在于正己烷中，当反应到达一定程度，就会形成假稠现象，形成以硫化锂为核，吸附大量的丁烯类与正己烷物质为壳胶体，形成凝胶。通过真空烘干205℃，事先去除正己烷，再300～400℃热处理，一方面丁烯类物质碳化包覆在硫化锂表面，能极大的增大硫化锂导电性，另一方面丁烯类物质分解出的气体帮助形成的多孔，一次颗粒在50nm以下的碳/硫化锂复合材料，得到硫化锂含量在85～90%，含碳量在10～15%。这种复合材料具有比表面积大，导电性高，振实密度高，一次颗粒小，不需要过去传统球磨加工，具有操作简单，成本低等特点。
发明的一种利用工业级丁基锂制备碳/硫化锂正极复合材料的方法，能够克服现有硫化锂电池体系中循环性能不佳和安全性能不良的问题，所述复合正极材料具有高比容量和长循环寿命，其制备过程简单，应用前景广泛。
上述仅对本发明中的具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰，均应认为落入本发明的保护范围。
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