[發明專利]一種制備三維介孔生物碳制鋰硫電池正極材料的方法

有效

• 申請號: 202010333606.2
• 申請日: 2020-04-24
• 公開（公告）號: CN111554891B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 郭瑞松;王淑慧
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/052;C01B32/05;C01G51/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

本發明公開了一種制備三維介孔生物碳制鋰硫電池正極材料的方法，首先，將木醋桿菌移入配制好的生長液中，培養以獲得BC產物，將其后續處理得到BC氣凝膠；然后，把BC氣凝膠和CoCl₂·6H₂O、Na₂S₂O₃·5H₂O與三聚氰胺水熱合成，獲得一系列不同含N比的CoS₂/N?BC；最終，將CoS₂/N?BC碳化后與一定質量比的硫在充滿N₂的管式爐中進行高溫熔融載硫，得到由生物碳構成的三維介孔S@CoS₂/N?CNFs鋰硫電池正極材料。本發明中BC不僅具有高比表面積、高孔隙率，而且其纖維表面富含?OH官能團，有助于將CoS₂和N原子均勻地負載至BC。N摻雜和CoS₂納米顆粒均提供了硫親核位點，通過化學吸附多硫化鋰(LiPSs)抑制電化學過程中的穿梭效應，增加電極材料的循環壽命。

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池正極材料的制備方法，尤其涉及一種三維介孔生物碳制鋰硫電池正極材料的制備。

背景技術

可充電鋰硫電池由于其低成本和高能量密度而成為儲能應用的有前途的選擇。然而，由于多硫化物溶解/穿梭引起的快速容量衰減以及由于活性材料的不良電導率導致的低比容量，硫陰極的電化學性能被大大損害。為解決這些問題，人們致力于優化各種主體材料的結構設計，特別是納米碳材料。然而，由于非化學親和性以至于不能在長期循環中有效錨定多硫化物。為了提高對中間多硫化物的錨定，無機極性材料(尤其是金屬硫化物)由于其優異化學吸附作用，引起了極大的關注。其中，CoS₂具有良好的熱穩定性，電子導電性較好，其電阻率為0.002Ω·cm，且具有獨特的多孔結構，較強的負載能力，是一種綜合性能優越的LSB正極材料。但是，在充放電過程中，CoS₂通常無法提供大的孔體積來存儲硫物質，且具有明顯的體積膨脹。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提出一種制備三維介孔生物碳制鋰硫電池正極材料的方法，采用自制的碳納米纖維，用水熱合成法得到S@CoS₂/N-CNFs正極材料，以改善CoS₂的電化學性能。本發明制備方法工藝簡單、成本低廉，提供了一種具有優良電化學性能的鋰硫電池正極材料。

為了解決上述技術問題，本發明提出的一種制備三維介孔生物碳制鋰硫電池正極材料的方法，通過簡便的水熱方法，將金屬硫化物與綠色環保的三維介孔氮摻雜細菌纖維素(BC)材料結合，不僅可以提高導電性，為存儲硫和限制體質膨脹提供了所需要的空間，而且BC表面的-OH，可與硫和多硫化鋰成鍵來有效吸附多硫化鋰，提高電化學穩定性。目前，針對硫@二硫化鈷/氮摻碳納米管(S@CoS₂/N-CNFs)的鋰硫電池正極材料的制備未見報道。

本發明一種制備三維介孔生物碳制鋰硫電池正極材料的方法，步驟如下：

步驟一、制備細菌纖維素氣凝膠：將葡萄糖、酵母粉、蛋白胨和磷酸氫二鈉按質量比為10：3：4：4依次加入到盛有超純水的容器中，攪拌溶液至澄清后滴加冰醋酸至溶液的pH＝4-5，得到細菌生長液；將盛有細菌生長液的容器放進高溫滅菌箱中滅菌30分鐘，空冷至室溫后移入木醋桿菌的菌種，放入30℃的恒溫箱中培養7天，得到淡黃色的細菌纖維素液凝膠；將淡黃色的細菌纖維素液凝膠在80℃的去離子水中浸泡5小時后，移入0.5摩爾/升的NaOH溶液中純化至顏色變為乳白色；然后，將純化后的細菌纖維素液凝膠用去離子水煮沸至pH＝7，在叔丁醇中浸泡7天，置換出其中的水分子，最后將該細菌纖維素薄膜冷凍干燥，得到細菌纖維素氣凝膠。