[发明专利]一种沉积硫单质的碳纤维材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种沉积硫单质的碳纤维材料及其制备方法和应用，属于电池材料领域。一种沉积硫单质的碳纤维材料，所述材料由相互缠绕或/和交织的氧化钴修饰的碳纤维和沉积在碳纤维上硫单质构成。本发明所述沉积硫单质的碳纤维材料可用作锂硫正极材料，其采用相互缠绕或交织的氧化钴修饰的三维碳纤维作为束硫材料，三维的碳纤维网络提供连续的电子传输通道，具有降低电池内阻，有利于电化学反应进行的特点，可有效提高电池的能量密度及循环寿命。而且氧化钴修饰物具有对过硫化锂的束缚能力，可以有效降低多硫化锂的流失，从而提高电池的能量密度，提升充放电循环性能。该制备方法简便，原料廉价易得。

技术领域

本发明涉及一种沉积硫单质的碳纤维材料及其制备方法和应用，属于电池材料领域。

背景技术

随着人类科技水平的发展，电动汽车和可携带电子产品等用电器的功率和使用时间不断增加，而目前商用锂离子电池的能量密度已经不能满足要求。为此，人们迫切希望找到一种具有高能量密度且拥有绿色、安全、低成本等特点的新型电池取代目前使用的二次电池。锂硫电池的中单质硫的理论比容量高达1675mAh/g、理论比能量高达2600Wh/kg，其能量密度为当前锂离子电池理论值的6倍。此外，硫单质为化工工业生产中的常见的副产物，价格低廉易得，并且具有无毒环保等诸多优势。尽管锂硫电池具有高能量密度和价格低廉的优势，将其投入实际应用还需要解决单质硫导电性差和多硫化锂流失的问题。

在以上阻碍锂硫电池的问题中，多硫化锂的流失可导致严重的自放电，直接影响电池的使用寿命和能量密度，是目前的研究热点之一。目前解决锂硫电池多硫化锂的策略有：①隔膜改性，即使用导电或硫束缚材料涂覆在隔膜上阻碍多硫化锂穿过隔膜。②多孔材料束缚，即使用具有丰富孔洞的材料，利用其毛细作用将多硫华丽束缚在孔洞中③极性物质束缚，即引入具有亲硫性的极性物质将多硫化锂吸附在正极材料内。上述策略的其目的均是将多硫化物固定在正极材料一侧防止其穿梭迁移至负极。但是上述材料的制备常方法复杂，步骤繁琐，成本昂贵，无法满足锂硫电池实际应用需求。

发明内容

针对目前锂硫电池正极材料存在的问题，本发明的目的是提供一种利用氧化钴修饰的三维碳纤维作为正极材料的硫载体。该正极材料中活性物质利用率高，充放电循环稳定，可明显提高锂硫电池的能量密度和循环寿命。

为实现本发明的技术目的，本发明提供了一种氧化钴修饰碳纤维的制备方法，该制备方法是碳纤维前驱体分别浸泡在钴源和硫源溶液中，利用钴离子和硫离子的沉淀反应在碳纤维前驱体表面一层硫化钴纳米粒子。然后将沉积有硫化钴的碳纤维前驱体于惰性气体中碳化处理即可得到氧化钴修饰的三维碳纤维材料。

一种沉积硫单质的碳纤维材料，所述材料由相互缠绕或/和交织的氧化钴修饰的碳纤维和沉积在碳纤维上硫单质构成。

本发明所述沉积硫单质的碳纤维材料，是将硫单质沉积在相互缠绕或/和交织的氧化钴修饰的碳纤维获得。

优选地，所述氧化钴修饰的碳纤维按下述方法制得：将碳纤维前驱体于浓度为0.01M～1M的钴离子源溶液中静置至少10min后水洗，然后将其浸入浓度为0.01M～1M的硫离子源溶液中静置至少10min后取出，水洗，此过程为1个循环，重复至少2次循环即可得到硫化钴修饰的碳纤维前驱体材料；将上述所得硫化钴修饰的碳纤维前驱体材料进行碳化处理，即得到氧化钴修饰的碳纤维，

所述钴离子源为氯化钴、硫酸钴、乙酸钴、硝酸钴、磷酸钴、氟化钴、碘化钴；所述硫离子源为硫化钠、硫化铵、硫化钾、硫化锰、硫化锌、硫化氢、硫化镁。

上述技术方案中，所述碳纤维前驱体为丝状纤维、由丝状纤维缠绕而成的纤维束，或由丝状纤维交织而成的纤维布，或由丝状纤维缠绕而成的纤维束交织而成的纤维布。

本发明所述碳纤维前驱体为可通过碳化处理形成碳纤维的生物质纤维或合成纤维。

进一步地，所述生物质纤维为棉纤维，竹纤维，蚕丝纤维。