[发明专利]基于废弃烟头生物质资源的锂硫电池材料及其制备方法

说明书

本发明属于材料、能源技术领域，具体为基于废弃烟头生物质资源的锂硫电池材料及其制备方法。本发明采用废弃烟头等生物质为前驱体原料，通过复合石墨烯、碳化制备生物质多孔碳，进一步载硫得到生物质多孔碳材料（S@GO/PC）。上述方法所制备的生物质多孔材料由于其独特的分级多孔结构，高导电性以及高的载硫量等优点，当其作为锂硫电池材料时，显示出高的电池比容量以及优异的循环稳定性。本发明所得生物质衍生的锂硫电池材料不仅具备良好的导电性，载硫量高以及优异的性能，而且制备所用原料成本低廉易得、可实现大规模制备，是一种高效、经济、环保的新型锂硫电池的制备方法。

技术领域

本发明属于材料、能源技术领域，具体涉及一种基于废弃烟头生物质资源的锂硫电池材料及其制备方法。

背景技术

随着环境问题的日益严峻和能源紧缺问题的突显，人们对电子产品小型化、多样性和可变性的需求越来越迫切，发展具有高能量密度及高循环稳定性的先进储能器件势在必行。其中，锂硫电池由于较高的理论比容量成为世界各国研究者的研究热点。锂硫电池是一种以金属锂为负极，单质硫为正极的二次电池，通过硫-硫键的断裂和再生成来实现电能与化学能之间的相互转换。锂硫电池的理论比能量可达到2600 Wh∙kg^-1，是目前商业化锂离子电池实际所能达到的能量密度的10倍左右。此外，硫作为地球上储量丰富且理论能量密度较高的元素之一，在能量储存尤其是在锂硫电池的研究应用中有着十分重要的作用，并且还具备价格低廉、环境友好等优点。然而，尽管锂硫电池具有理论容量高、能量密度大、价格低廉、低毒和环境友好的优势，但是也有一些固有的缺陷制约着其进一步商业化的应用，主要表现在以下几个方面：（1）多硫化物的“穿梭效应”；（2）单质硫的导电性差；（3）硫在充放电过程中的体积膨胀；（4）低的材料含硫量和低的极片载量等；这些缺陷进而导致了锂硫电池硫的利用率降低，锂硫电池的循环稳定性变差等问题。

针对上述问题，研究者们着力于对硫正极进行复合改性以期改善其导电性差、明显的穿梭效应及充放电过程中体积变化较大等固有缺陷。其中一个重要方向是将单质硫与各种碳材料（如一维的碳纳米管CNT，二维的石墨烯，三维的多孔碳材料）进行复合后作为锂-硫电池材料。但是利用这种方法制备的锂硫电池材料仍面临着制备过程繁琐、成本昂贵、载硫量低、性能差等缺点，不能满足实际的需求，因此亟待开发一种新型的锂硫电池材料。

发明内容

为了克服上述现有技术缺陷，本发明的目的在于提供具有高载硫量、高容量以及优异循环稳定性的锂硫电池材料，并提供工艺简单、成本低廉、环保经济的该锂硫电池材料的制备方法。

本发明提供的锂硫电池材料，是一种基于废弃烟头等生物质为原料制备的多孔碳-单质硫体系，记为S@GO/PC。其制备原料包括：废弃生物质材料（例如为利群、万宝路、中华等废弃香烟过滤嘴）、氧化石墨烯、乙醇、硫粉等。

本发明提供的基于废弃烟头等生物质为原料制备的多孔碳-单质硫体系（S@GO/PC）作为锂硫电池正极材料，并将其用于该复合材料的锂硫电池，其制备过程包括：利用废弃生物质材料复合氧化石墨烯作为前驱体（GO/BC），经过热还原碳化处理后，进一步载硫制备出复合石墨烯的多孔碳材料（记为S@GO/PC），并用作锂-硫电池正极材料。由于该材料的分级多孔结构、高导电性、大的比表面积等优点，该体系能有效抑制多硫化锂的溶解，有利于锂离子的扩散和电解液的浸润，进一步提高锂-硫电池的电化学性能并解决部分废弃物的再利用。

上述锂硫电池材料S@GO/PC的制备方法，具体步骤为：

（1）原材料的预处理：将收集到的废弃烟头（主要成分为二醋酸纤维素）用乙醇、水分别超声洗涤3~5次，并在60~100℃的恒温干燥箱中烘干2~24 h，所得产物为生物质孔碳材料，记为BC；