[發明專利]鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維的制備方法及利用其制備正極材料的方法

有效

• 申請號: 201710108104.8
• 申請日: 2017-02-27
• 公開（公告）號: CN106848314B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 程博聞;康衛民;鄧南平;鞠敬鴿;莊旭品;李磊;趙義俠
• 申請（專利權）人: 天津工業大學
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/62;B82Y40/00
• 代理公司: 天津才智專利商標代理有限公司 12108
• 代理人: 劉美甜

1.一種鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

1)利用氣流同軸電紡，將芯層紡絲液和皮層紡絲液同時從同軸靜電紡絲針頭中擠出，在高速氣流和靜電電壓的作用下，至接收網；得到具有皮芯結構的納米級初生纖維；

所述氣流同軸電紡，即是在常規同軸靜電紡絲的紡絲針頭外側加一個高速氣流容腔，所述高速氣流容腔的開口與所述同軸靜電紡絲針頭同軸，在紡絲過程中，為擠出的紡絲細流施以軸向力；

所述芯層紡絲液包括：成碳高聚物、致孔聚合物和溶劑I；其中所述溶劑I為成碳高聚物和致孔聚合物的共溶劑；

所述皮層紡絲液包括：成碳高聚物、金屬鹽或氫氧化鎂和溶劑II；其中，所述溶劑II為成碳高聚物和金屬鹽或氫氧化鎂的共溶劑；

所述芯層紡絲液和皮層紡絲液選用的成碳高聚物為同一種物質；

2)將步驟1)得到的納米級初生纖維在空氣氛圍，200～400℃條件下保溫8～12h，然后在惰性氣體氛圍，800～1200℃條件下保溫8～12h；得到外層為為微孔層，內層為多尺度孔結構層的碳纖維，即所述鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維。

2.如權利要求1所述鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于：按照質量分數計，所述芯層紡絲液包括：30～35％的成碳高聚物、13～15％的致孔聚合物和52～55％的溶劑I；

所述皮層紡絲液包括：35～40％的成碳高聚物、3～5％的金屬鹽或氫氧化鎂和55～62％的溶劑II。

3.如權利要求1所述鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于：所述芯層紡絲液和皮層紡絲液的擠出速度比為1:1～5。

4.如權利要求1所述鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于：所述成碳高聚物為聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酰胺酸纖維、聚丙烯酸、聚苯并咪唑、聚乙烯吡咯烷酮和聚醚酰亞胺中的任意一種；

所述致孔聚合物為聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乳酸和聚環氧乙烯中的任意一種；

所述金屬鹽為醋酸鋅、氯化鈣、硫酸鋁、鋁酸鈉、三氯化鐵、二氯化鐵和硫酸亞鐵中的任意一種。

5.如權利要求1～4中任意一項所述鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于：靜電電壓為35～45kV，高速氣流的壓強為0.01～0.1MPa，接收距離為30～50cm。

6.如權利要求1～4中任意一項所述鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維的制備方法，其特征在于：步驟2)中升溫到200～400℃的升溫速率為3～5℃/min；升溫到800～1200℃的升溫速率為3～5℃/min。

7.利用如權利要求1～4中任意一項所述制備方法制得的鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維制備正極材料的方法，其特征在于包括如下步驟：

①將所述鋰硫電池用雙層多孔碳納米纖維在60～70℃條件下，濃度為25～30wt％的硝酸溶液中攪拌8～12h，然后將其放置于60～70℃的真空干燥箱中干燥，得到可直接應用于鋰硫電池正極的碳納米纖維；

②將步驟①得到的碳納米纖維與納米硫混合，在155℃的真空干燥箱中干燥12～24h，然后將升溫至300℃后于真空干燥箱中干燥2～6h；再將含硫的碳納米纖維放置在1M的Li₂S₈溶液中超聲振蕩2～6h后，再加入導電劑、粘合劑，超聲振蕩2～6h，得到混合溶液；

③將所述混合溶液經抽濾、干燥，得到片狀的雙層多孔碳納米纖維/納米硫正極材料。

8.如權利要求7所述正極材料的制備方法，其特征在于：步驟②中所述含硫的碳納米纖維、導電劑、粘合劑的質量比為8:1:1～6:3:1。

9.如權利要求7所述正極材料的制備方法，其特征在于：所述導電劑為炭黑、碳納米管、石墨、石墨烯或導電聚合物。

10.如權利要求7所述正極材料的制備方法，其特征在于：所述粘合劑為聚偏氟乙烯、海藻酸鈉、聚丙烯酸或聚氧化乙烯。