[發明專利]一種基于氮摻雜碳化細菌纖維素的電池正極、鋰硫電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201611218937.1
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106601990B
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 黃洋;孫瑞寧;楊加志;張衡;陳春濤;梁光蕓;顧焱
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H01M4/13
• 分類號: H01M4/13;H01M4/66;H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/139;H01M10/058
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 劉海霞;朱顯國

本發明公開了一種基于氮摻雜碳化細菌纖維素的電池正極、鋰硫電池及其制備方法。本發明利用細菌纖維素生物培養過程中需要的N源進行N摻雜，制備電池正極材料；通過將超輕碳化細菌纖維素夾層與多孔碳的復合制備具有強吸附能力的電池夾層；借助離子選擇性阻擋層Nafion與細菌纖維素氣凝膠的結合制備電池隔膜材料，將基于氮摻雜碳化細菌纖維素的電池正極、碳化細菌纖維素功能夾層、Nafion/BC隔膜組裝成鋰硫電池。本發明通過N元素摻雜、功能夾層引入、Nafion/BC隔膜的聯合使用，多層面控制多硫化物向鋰負極擴散，實現針對多硫化物擴散的多級抑制，有效控制穿梭效應，組裝形成的Li?S電池具有高比容量，高庫侖效率以及穩定的循環性能。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池領域，涉及一種基于N摻雜碳化細菌纖維素的電池正極、鋰硫電池及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池是目前綜合性能最好的二次電池，已廣泛應用于各類便攜式設備中。隨著電動汽車、智能電網及航空航天等高耗能設備設施的迅猛發展，對鋰離子電池能量密度和功率密度的要求也越來越高。然而，傳統的鋰離子二次電池由于受正極材料理論儲鋰容量的制約，難以在提升能量密度方面取得突破性進展，如使用最為廣泛的LiCoO₂正極材料其理論能量密度僅為387Wh kg^-1，還遠不能滿足上述高能耗需求。因此，尋找新的正極活性材料顯得尤為重要。以單質S為正極，金屬鋰為負極所構成的Li-S電池具有的理論能量密度高達2567Wh kg^-1(理論比容量1675mAh g^-1)，遠高于目前商品化的鋰離子電池。此外，單質S還具有儲量豐富、環境友好、廉價易得等優點，所以，鋰硫(Li-S)二次電池備受人們的關注。但是Li-S電池仍然存在不少問題需要解決，主要包括多硫化物溶解在電解液中所產生的“穿梭效應”，以及充/放電過程中由于活性物質體積變化所導致的電極結構的破壞，最終都可能造成電池容量較低、庫侖效率不高、循環性能較差。

眾所周知，生物質材料資源豐富，來源廣泛，廉價易得，并且大多為可再生的環境友好型材料，生物質碳是由此類材料在惰性氣氛下經高溫退火加工而成的碳化材料。生物質碳材料通?？梢员Ａ羝淝膀岓w所特有的微觀結構，而且也較容易實現工業化生產。細菌纖維素(BC)是由木醋桿菌代謝合成的一種一維纖維素基生物大分子，相比于植物纖維素，其在純度、聚合度、結晶度和取向性等方面均有很大優勢。生物質BC的碳化產物(碳化細菌纖維素，CBC)具有獨特的三維網狀大孔結構、良好的柔韌性和機械穩定性。然而作為無定型碳材料，CBC表現出較為有限的電子導通能力。Wang等人(Bin Wang et al.Small,2013,9(14):2399-2404.)首次制備Ge/CBC復合材料用于鋰離子電池，該電池表現出較差的倍率性能，分析認為電導率是影響其電池性能的關鍵因素。此外，高溫碳化獲得的CBC小孔含量較低，因此在Li-S電池運行中對溶解性多硫化物吸附控制能力較為有限(Yang Huang etal.Journal of Materials Chemistry A,2015,3:10910-10918.)。如何改善基于CBC的復合材料的電導率，并有效地控制Li-S電池中多硫化物的擴散是目前進一步優化基于CBC的Li-S電池的關鍵問題。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種基于氮摻雜碳化細菌纖維素的電池正極。

實現上述目的的技術方案如下：

一種基于氮摻雜碳化細菌纖維素的電池正極，通過以下步驟制備得到：

步驟1，將細菌纖維素膜片從培養基中取出后，水洗去除膜表面的多余發酵液，冷凍干燥得到含氮源的細菌纖維素氣凝膠；

步驟2，將含氮源的細菌纖維素氣凝膠壓平處理，然后在惰性氣氛下于800-1000℃下碳化，得到氮摻雜碳化細菌纖維素(NCBC)氣凝膠；