[發(fā)明專利]載硫多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維及其制備和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910079565.6
• 申請日: 2019-01-28
• 公開（公告）號: CN109817930A
• 公開（公告）日: 2019-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉天西;歐陽玥;繆月娥;朱曉波;林杰;袁國煒
• 申請（專利權(quán)）人: 東華大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;王婧

本發(fā)明提供了一種載硫多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維，其特征在于，其制備方法包括：結(jié)合靜電紡絲技術(shù)與原位聚合反應(yīng)浴收集法制備聚多巴胺包覆二氧化鈦前驅(qū)體/聚苯乙烯復(fù)合纖維，之后進(jìn)行高溫碳化和低溫熔融灌硫處理，得到載硫多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維。本發(fā)明所制備的多孔二氧化鈦/碳納米纖維復(fù)合材料具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)電性好、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明制備的多孔二氧化鈦/碳納米纖維復(fù)合材料形貌可控，具有高孔隙率及高比表面積。本發(fā)明所制備的多孔二氧化鈦/碳納米纖維復(fù)合材料是一種鋰硫電池的理想電極材料，可提高硫正極的導(dǎo)電性，增加硫的負(fù)載量，緩沖體積變化，有效抑制穿梭效應(yīng)，顯著提高其倍率及循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及多孔二氧化鈦/碳納米纖維復(fù)合材料的制備及其應(yīng)用。該材料是一種理想的鋰硫電池正極材料，可提高硫正極的導(dǎo)電性，增加硫的負(fù)載量，緩沖體積變化，同時二氧化鈦可吸附多硫化鋰，有效抑制穿梭效應(yīng)，顯著提高其倍率及循環(huán)性能。

背景技術(shù)

鋰硫電池因其具有極高的理論比容量(1675mA h g^-1)和理論比能量(2600Wh kg^-1)、成本低、資源豐富、污染小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最具潛力的下一代高性能電池體系之一。但硫自身的絕緣性、多硫化鋰的穿梭效應(yīng)及硫正極的體積膨脹效應(yīng)降低了活性物質(zhì)的利用率，極大地影響了鋰硫電池的倍率及循環(huán)性能。

碳納米纖維具有高導(dǎo)電性、高孔容、高比表面積、質(zhì)輕密度低等優(yōu)異性質(zhì)，因而被廣泛應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換與儲存器件、高分子納米復(fù)合材料等領(lǐng)域，被認(rèn)為是未來十大最具潛力的新材料之一。其中，靜電紡絲法是制備碳納米纖維材料的一種設(shè)備簡單、成本低廉的方法，所制得的纖維具有制備工藝簡單高效、直徑分布均勻可控、載硫量高等優(yōu)點(diǎn)。

單純依靠碳質(zhì)材料不同孔結(jié)構(gòu)的物理限域作用，不能完全限制多硫化物的穿梭效應(yīng)，而金屬氧化物二氧化鈦對硫及多硫化鋰有著優(yōu)異的吸附作用，能在充放電循環(huán)過程中有效抑制多硫化物的穿梭效應(yīng)，提高活性物質(zhì)硫的利用率，增加鋰硫電池的循環(huán)壽命。

碳質(zhì)材料的表面化學(xué)性質(zhì)在很大程度上也影響著鋰硫電池的電化學(xué)性能，通過碳質(zhì)材料表面官能團(tuán)化(如羥基化、羧基化、氨基化等)和異質(zhì)原子(如氮、硫、磷、硼等)雜化處理，可以提高其與硫、多硫化物的相互作用。聚多巴胺作為一種高活性含氮大分子材料，碳化后轉(zhuǎn)化為含氮的碳材料，其具有類似多層石墨烯的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性，在能源領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種制備過程簡單環(huán)保、制備成本低廉、電化學(xué)性能優(yōu)異的多孔二氧化鈦/碳納米纖維復(fù)合材料及其制備和應(yīng)用。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種載硫多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維，其特征在于，其制備方法包括：結(jié)合靜電紡絲技術(shù)與原位聚合反應(yīng)浴收集法制備聚多巴胺包覆二氧化鈦前驅(qū)體/聚苯乙烯復(fù)合纖維，之后進(jìn)行高溫碳化和低溫熔融灌硫處理，得到載硫多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維。

優(yōu)選地，所述的多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維的比表面積為100～500m²/g，二氧化鈦含量為10～40％，硫含量為50～80％。

進(jìn)一步地，所述的多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明還提供了上述的載硫多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維的制備方法，其特征在于，包括：結(jié)合靜電紡絲技術(shù)與原位聚合反應(yīng)浴收集法制備聚多巴胺包覆二氧化鈦前驅(qū)體/聚苯乙烯復(fù)合纖維，之后進(jìn)行高溫碳化和低溫熔融灌硫處理，得到載硫多孔二氧化鈦/碳納米復(fù)合纖維。