[发明专利]水绵基生物质碳材料/纳米硫复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及基于水绵的生物质碳/硫复合材料及其制备方法与应用，属于锂硫电池正极材料领域。

背景技术

锂硫电池由于其比能量高、安全性好等诸多优点，得到了许多科研工作者的广泛关注。锂硫电池理论上的比容量为1675mAh/g，比能量可达到2600Wh/kg，且存在两个电压平台，比一般的锂离子电池性能优越，符合当今电子产品对电池“轻、薄、小”的便携式需求。此外，硫在自然界中储量十分丰富，价格相对便宜，而且硫是一种环境友好型元素。因此，硫正极材料是具有开发价值和应用前景的二次动力锂电池正极材料之一。

但硫正极材料也存在一些问题：锂硫电池存在着正极活性物质利用率低，循环寿命短，倍率性能差等问题，制约了其实际应用。造成这些问题的原因在于：①硫及反应产物硫化锂的电子导电性及离子导电性较差，导致活性组分的利用率较低和倍率性能较差；②硫在充放电过程的中间产物多硫化锂易溶解于有机电解液，造成容量衰减严重。

目前，国内外研究者在含硫正极复合材料的改性方面进行了深入的研究并且取得了巨大进展，其中硫/碳复合材料被认为是最具发展潜力的锂硫电池正极材料。碳材料因具有导电性好、环境友好、结构多样、比表面积大、吸附性强等多种优点被用于硫基复合材料的制备，在提高锂硫电池性能方面得到了广泛的应用。因此，研究人员采用一定复合方法将纳米级尺寸的硫嵌套在碳材料的微、介孔隙或孔道中，开发出一系列结构形貌各异的硫/碳复合材料：硫/介孔碳、硫/微孔碳、硫/碳纳米管/石墨烯等复合材料，同时展现了优异的电池性能。例如，CN104638246A报道了将Na₂S₂O₃溶液与还原石墨烯分散液混合后超声分散处理，然后在超声辅助下加入盐酸溶液，反应后真空抽滤、清洗、干燥，将滤膜与滤膜上的物质分离，得到石墨烯基柔性锂硫电池正极材料；CN104766967A公开了一种锂硫电池正极用硫/碳复合材料的制备方法，利用酸预处理后的炭黑、介孔碳、碳纳米管、石墨烯等碳载体材料和单质硫复合，从而获得高性能的硫/碳复合材料。但不容回避的是上述碳材料的合成工艺比较复杂，制备成本较高，使用其与单质硫进行复合制备得到的正极材料的电池性能虽得到提升，却牺牲了锂硫电池体系成本低廉的优点，因此，如何既保持碳材料良好的性能又能够维持一个较低成本的制备技术，是研究人员亟待解决的问题。

同时，生物系统是一个巨大的资源库，不仅提供了丰富的原料，而且在研发新型功能结构材料中给予研究者很大的启示。其中，一些农林废弃物可以用来制备生物质碳材料，这样既可以有效降低碳材料的生产成本，实现碳材料的可持续发展，同时也为农林废弃物的有效利用开辟了一条新的途径。例如，CN104681800A公开了一种基于玉米秸秆的生物碳/硫复合材料的制备方法与应用，采用ZnCl₂预处理、KOH活化以及热处理碳化等方法制备生物质碳材料，并与硫的特定溶液混合来制备硫碳复合材料。不仅如此，农林、海洋等污染物也可以作为碳材料的来源之一：近年来由于人类对自然资源不合理的开发利用，以及工农业生产的污染，世界生态环境发生了明显的变化，水体富营养化现象日益严重，藻类异常增殖，干扰淡水和海洋生态平衡，从而危害人类健康。

发明内容

本发明的目的是针对当前技术中存在的在锂硫电池体系中碳材料成本较高的不足，设计和提供一种成本低廉的水绵基生物质碳材料/纳米硫复合正极材料的制备方法，即通过湿法球磨以及在管式炉中熔融加热等方式，使纳米硫均匀分散在水绵基生物质碳的表面以及孔隙当中，使得水绵基生物质碳材料的导电性能以及固硫效果能够在上述复合材料中得到充分发挥，保证了水绵基生物质碳材料/纳米硫复合材料电化学性能的提高。此外，水绵基生物质碳材料较大的比表面积将有利于吸附可溶性的中间产物多硫化锂，减缓穿梭效应，提高电极的循环性能。

本发明的技术方案是：

一种水绵基生物质碳材料/纳米硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将水绵用水直接清洗后，再将清洗后的水绵浸入到去离子水中，超声清洗30～60分钟，然后将去离子水换成乙醇再超声清洗30～60分钟，以依次分别在去离子水和乙醇中超声清洗记为清洗一次，清洗2～5次，至溶液澄清；

(2)将步骤1中清洗干净的水绵置于真空干燥箱中60℃下干燥3～9小时；

(3)将步骤2中干燥的水绵在氩气气氛保护下通过真空管式炉加热，按2～12℃/min的升温速率升至500～900℃后，保温碳化1～4小时，之后随炉冷却至室温，得到水绵基生物质碳材料；