[发明专利]3D打印制备自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极的方法

说明书

本发明涉及3D打印制备自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极的方法，包括有以下步骤：1)将获得干燥的ZIF‑8粉末在流动的惰性气氛下进行煅烧，得到热解衍生碳ZDC；2)将步骤1)所得的ZDC与硫粉混合，分阶段加热，获得S/ZDC复合材料；3)将步骤2)所得的S/ZDC复合材料与导电剂、粘结剂混合，再加入NMP溶液，混合均匀后的材料采用3D打印机系统进行挤压法制备得到自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极。本发明能够精确地控制电极的形状和厚度，大大增大了活性物质的载量，选择的网格结构有利于电解液的渗透，加快了离子和电子的运输，从而实现长寿命、高稳定性的锂硫电池正极。

技术领域

本发明涉及ZIF-8衍生碳(ZDC)的构筑以及不同打印层数的S/ZDC三维网格电极的制备，具体涉及3D打印制备自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极的方法。

背景技术

随着科技的发展和生活水平的提高，人们对于能源的需求也越来越大，但是由于地球资源有限，而需求量日益增长，许多资源面临着耗尽的危机，所有人们迫切的希望找到一种清洁的、可大量使用的、高效的能源，打造一种环境友好型社会。人们把目光放在了电化学储能装置上，尤其是可充电电池，因为其被认为是一种高效、清洁环保的能源储存系统。锂硫电池是新一代的最有前景的电化学储能装置之一，具有很高的理论容量、较低的成本以及较高的安全性，尽管锂硫电池有着很多的优势，但是也存在很多问题需要解决，最主要的问题是“穿梭效应”，而且硫以及硫化锂都是电子和离子的绝缘体，这样就会导致活性物质的利用率低。除了这些问题以外，传统的涂布方法制备面临单位硫面载量较低的问题。

发明内容

为了克服以上问题，本发明提出一种3D打印制备自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极的方法，为正极材料寻找到了一种合适的宿主材料，其满足高导电性、对多硫化物产生吸附的特点，在满足上述条件的同时也满足高载量的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：3D打印制备自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极的方法，包括有以下步骤：

1)将获得干燥的ZIF-8粉末在流动的惰性气氛下进行煅烧，得到热解衍生碳ZDC；

2)将步骤1)所得的ZDC与硫粉混合，分阶段加热，获得S/ZDC复合材料；

3)将步骤2)所得的S/ZDC复合材料与导电剂、粘结剂混合，再加入NMP溶液，混合均匀后的材料采用3D打印机系统进行挤压法制备得到自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极。

按上述方案，步骤1)所述的煅烧温度为950℃，保温时间为3-4小时。

按上述方案，步骤2)所述的加热温度为160℃，保温时间为10-12小时，随后加热温度为300℃，保温时间为3-4小时。

按上述方案，所述的ZDC与硫粉是以3:7质量比混合。

按上述方案，所述的S/ZDC复合材料、导电剂以及粘结剂是以7:2:1质量比混合。

按上述方案，所述的导电剂为碳纳米管，所述的粘结剂为PVDF。

按上述方案，所述的NMP溶液体积平均分三次与材料进行混合。

按上述方案，所述的锂硫电池正极为网格形貌，电极的单位面积是0.49cm²。

本发明所述的3D打印制备自支撑高负载的碳基材料/硫复合锂硫电池正极的方法，其中一个方案，包括以下步骤：

1)将干燥的60mg的ZIF-8粉末在950℃的高温下，在流动的氩气下，保温到3-4小时，然后待管式炉自然冷却；

2)在步骤1)的基础上，得到ZIF-8的热解衍生物ZDC；