[發明專利]一種基于細菌纖維素制備鋰硫電池正極材料的方法

在審

• 申請號: 201910955920.1
• 申請日: 2019-10-09
• 公開（公告）號: CN110808361A
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 郭瑞松;趙信琦
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/139;H01M4/04;H01M10/052
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 曹玉平

本發明公開了一種基于細菌纖維素制備鋰硫電池正極材料的方法，首先。制備錫離子溶液，將BC氣凝膠和錫離子溶液按照質量比為1:1放入反應釜中制備得到BC?SnO₂主體材料，在氮氣氣氛下煅燒，使細菌纖維素與二氧化錫結合形成三維復合材料，將該BC?SnO₂三維材料作為硫的載體，最終制得鋰硫電池正極材料。本發明制備過程中，在細菌纖維素的表面均勻地結合SnO₂納米粒子，BC氣凝膠的天然交織網絡結構與SnO₂納米粒子的協同作用能夠更好地增加硫的負載量從而提高電池的體積比容量，多孔結構也有效地緩解了電池工作時發生的硫膨脹現象，同時抑制了多硫化物的穿梭效應。有效地提高電池的理論比容量，形成穩定的循環性能。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池正極材料的制備技術領域以及細菌纖維素制備與應用領域。

背景技術

近年來在所有可行的儲能裝置中，鋰離子電池因其高效清潔的特點一直占據主導地位。然而，鋰離子電池的成本和能量密度仍無法滿足市場對電動汽車和供電網路的儲能要求，人們需要更高能量密度的儲能設備的出現。鋰硫電池的理論容量可達到1675Amh/g，遠遠超出現階段使用的鋰離子電池，被廣泛認為是下一代儲能裝置的候選者之一。而鋰硫電池未能大規模投入實際應用中主要源于硫的低面積負載和硫正極材料的幾個明顯缺陷，例如，硫的大體積膨脹導致電池穩定性差，其固有的絕緣性也造成正極的導電率非常低；多硫化物的穿梭效應以及絕緣不溶的二硫化鋰和硫化鋰在陰極材料上的沉積，都阻礙了電化學反應，導致電池呈現出低庫侖效率和快速的容量衰減。

目前，國內外對于鋰硫電池硫正極材料缺陷改進的研究方法主要包括以下幾個方面：引入碳基物質，增加硫的導電性同時抑制硫的膨脹現象；利用極性金屬氧化物與多硫化物形成高強度化學鍵，以減少多硫化物的穿梭效應；加入導電聚合物添加劑，如聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩等，由于它們特殊的形態和導電性，可以改善鋰硫電池的電化學性能。其中，三維碳納米材料，如碳氣凝膠，碳納米管和石墨烯泡沫，具有互連的網絡結構，豐富的孔結構，高導電性，良好的化學穩定性以及優異的環境相容性.，從而引起了人們的廣泛關注。但目前主流制備3D碳納米材料的方法不可避免地存在著一些缺點，例如有毒且昂貴的前體材料，復雜的技術設備要求，以及生產率低等。相較于這些方法，用細菌纖維素生產制造高性能3D碳基材料可以在一定程度上克服上述的幾種問題。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提供一種新型制備鋰硫電池正極材料的方法。選用細菌纖維素為基底，在其表面沉積一層SnO₂納米粒子，再通過將BC氣凝膠碳化，合成出導電性能良好的三維BC-SnO₂主體材料，使其可以負載大量的硫，用以制備鋰硫電池硫正極BC-SnO₂@S。此方法制備的電極材料可以增加電池的容量密度，更大程度地阻礙多硫化物發生穿梭效應，并緩解電池在長時間工作狀態下硫的膨脹現象帶來的安全隱患。

為了解決上述技術問題，本發明提出一種基于細菌纖維素制備鋰硫電池正極材料的方法，包括以下步驟：

步驟一、制備錫離子溶液：將一定量的五水四氯化錫溶于適量的乙醇水溶液中，攪拌，得到摩爾濃度為1～10mmol/L的錫離子溶液；

步驟二、制備細菌纖維素-二氧化錫(BC-SnO₂)主體材料：將細菌纖維素氣凝膠和步驟一制備得到的錫離子溶液按照質量比為1:1放入反應釜中，攪拌30min后，將容器密封在鋼制高壓釜中，并在200℃的電爐中保溫8h；自然冷卻后，通過真空過濾收集沉淀物并用純乙醇洗滌3-5次，干燥，所得即為BC-SnO₂主體材料；

步驟三、制備細菌纖維素-二氧化錫(BC-SnO₂)三維材料：將步驟二制得的BC-SnO₂主體材料在氮氣氣氛下燒結得到BC-SnO₂三維材料，燒結的工藝條件為煅燒溫度為450℃～650℃，保溫時間為1h～2h；