[发明专利]一种PEG修饰CuS中空纳米球及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于新一代电化学储能领域，具体涉及一种PEG修饰CuS中空纳米球及其制备方法与应用。

背景技术

随着人口的膨胀与社会的发展，新世纪里人类面对的能源问题以及由能源消耗带来的环境污染问题日趋严重。人们越来越重视对新型清洁能源的开发与利用，而与之相辅相成的储能技术也亟待提高。锂离子电池作为新型电源，具有开路电压高、循环寿命长、能量密度高、自放电低、无记忆效应、对环境友好等优点，多年的发展使锂电池的应用深入了我们生活的每个角落。但随着生活品质的不断提高，我们对于锂电池的续航能力、稳定性和性价比的要求也在不断提高，这就需要我们研发具有高能量密度，高稳定性而且价格低廉的新型锂离子电池。

Li-S电池是新型锂离子电池研究的热点之一，S单质的来源广泛，且是一种环境友好型单质，锂硫电池具有较高的理论比容量(1673mAh/g)，具有广阔的发展空间。但是其稳定性不佳制约了其在各领域的应用，首要面对的问题就是电极反应过程中产生S单质会与电解液反应造成不可逆的容量损失。本发明通过设计一种简单耗时短的实验方案制备一种PEG修饰的CuS中空纳米球，希望由此材料制备Li-S电池，减少S的损失，提高电池的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种PEG修饰CuS中空纳米球及其制备方法与应用。利用该方法制备得到的PEG修饰CuS中空纳米球，PEG包覆量与CuS中空纳米球直径可控，工艺流程简便，PEG包覆上CuS的同时使用了S-C化学键和金属硫化物来达到固硫的目的，有利于锂硫电池的稳定性提升。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种PEG修饰CuS中空纳米球的制备方法，其包括以下步骤：

(1)在室温情况下，将CuSO₄溶液与PVP(聚乙烯吡咯烷酮)按物质的量比为1:100-500进行混合，并置于磁力搅拌器上搅拌形成溶液A；

(2)向溶液A中加入碱溶液进行搅拌，使溶液A的pH值为8.5～9；然后加入N₂H₄·H₂O溶液，经反应制备得Cu₂O纳米球；其中CuSO₄与N₂H₄·H₂O物质的量比为1:1～1:1.5；

(3)将Cu₂O纳米球分散在乙醇与PEG(聚乙二醇)的混合溶液中，搅拌形成溶液B；

(4)向溶液B中加入含有硫源的乙醇溶液，其中硫元素的含量为0.025～0.1mol/L，密封后泵入惰性气体、升温进行纯化，纯化产物经洗涤、烘烤后得PEG修饰CuS复合中空纳米球。

进一步方案，步骤(1)中所述的CuSO₄溶液的浓度为2～6mmol/L，所述PVP的K值为27-32。

进一步方案，步骤(2)中所述的N₂H₄·H₂O溶液的浓度为0.1～0.3mol/L，所述Cu₂O纳米球的直径为70～120nm。

进一步方案，步骤(4)中所述的硫源为可溶于乙醇的硫化物。

进一步方案，所述可溶于乙醇的硫化物为硫脲或辛硫醇。

进一步方案，步骤(4)中所述的纯化是指先在惰性气体中以90-95℃保温30～60分钟，然后脱气30～10分钟，最后在140-220℃高温条件下保温60～120分钟；纯化产物的洗涤是指在丙酮与乙醇中洗涤并以4000～6000rpm的转速离心5～15分钟。

本发明的另一个发明目的是提供上述制备方法所制备出的PEG修饰CuS复合中空纳米球。

本发明的另一个发明目的是提供上述PEG修饰CuS复合中空纳米球的应用，所述PEG修饰CuS复合中空纳米球作为锂硫电池的正极材料。

本发明的制备过程操作步骤简便，通过Cu对单质硫的固定作用，以及PEG修饰的纳米颗粒表面结构，减小电极反应过程中形成S单质的相对量，达到固硫的目的，利用这样一种CuS中空纳米球材料制备具有良好充放电循环性能的Li-S电池。

附图说明

图1为实施例1制备的PEG修饰CuS中空纳米球材料的TEM图；

图2为实施例1制备的PEG修饰CuS中空纳米球材料和CuS中空纳米球材料分别作为正极材料制备扣式电池的循环性能。

具体实施方式

实施例1