[发明专利]一种利用细菌纤维素水凝胶制备锂硫电池正极材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用细菌纤维素水凝胶制备锂硫电池正极材料的方法，包括以下步骤：步骤S1，制备硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素气凝胶复合材料；步骤S2，将硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素气凝胶复合材料中的硫酸锂转化成硫化锂，葡萄糖转化成多孔碳，细菌纤维素转化成碳纳米纤维。采用本发明的技术方案，能够构造出碳纳米纤维网状结构，并且结构中的硫化锂纳米颗粒被多孔碳有效包覆，能够提高电极中电子的传输效率，抑制“穿梭效应”，解决锂硫电池充放电过程中的电极坍塌问题，从而提高锂硫电池的性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种利用细菌纤维素水凝胶制备锂硫电池正极材料的方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人们对储能系统的需求不断扩展，对化学电源也提出了更高的要求。化学电源如今正朝着小型化、质量轻、比容量高的方向发展。目前，锂离子电池由于具有工作电压高、体积小、循环寿命低、无污染等特点，在市场中得到了广泛的使用。然而，随着电动汽车、智能电网及便携式电子设备的快速发展，目前商用化成熟的钴酸锂、磷酸铁锂等锂离子电池能量密度已经明显不能满足市场需求。而硫的理论容量高达1674mAh/g,为目前商用锂离子电池的5到10倍，另外硫储量巨大，成本很低，且对环境无污染，因此在商用化应用中具有很大的前景。

目前，锂硫电池的发展仍然存在一些问题。其一，硫及其相应硫化物室温电子电导率很低，造成电池循环容量衰减严重；第二，充放电过程的中间产物聚硫锂(Li₂S_x，4≤x≤8)易溶解于有机电解液并引发“穿梭效应”，造成活性物质损失、库伦效率降低和循环稳定性变差；第三，硫电极充放电过程中会产生较大的体积变化(约80％)，将引起电极结构坍塌、容量衰减甚至电池损毁。另外，目前的锂硫电池硫含量和硫载量过低。

故，针对现有技术的缺陷，实有必要提出一种技术方案以解决现有技术存在的技术问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种利用细菌纤维素水凝胶制备锂硫电池正极材料的方法，通过细菌纤维素高温碳化后形成了碳纳米纤维网状结构，既有利于电极中电子的有效传输，又有利于电解液中锂离子传输。

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

一种利用细菌纤维素水凝胶制备锂硫电池正极材料的方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素气凝胶复合材料；

步骤S2，将硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素气凝胶复合材料中的硫酸锂转化成硫化锂，葡萄糖转化成多孔碳，细菌纤维素转化成碳纳米纤维，从而形成硫化锂/多孔碳/碳纳米纤维气凝胶复合材料。

步骤S3：将步骤S2制备的复合材料作为锂硫电池正极材料。

其中，所述步骤S1进一步包括以下步骤：

S10:将细菌纤维素水凝胶在去离子水中反复冲洗，去除杂质；

S11:将清洗后的细菌纤维素水凝胶平铺在光滑表面上，用重物压制24～48小时，将细菌纤维素水凝胶的厚度挤压至2～4毫米；

S12:将硫酸锂、葡萄糖和水混合后搅拌均匀，再加入适量叔丁醇，使溶液能恰好保持澄清，其中叔丁醇的作用是作为冻干剂，加快步骤S14冷冻干燥速率，并保持细菌纤维素原有结构不变；

S13:将压制好的细菌纤维素水凝胶在溶液中浸泡24～48小时，使细菌纤维素水凝胶充分吸收溶液，目的是使细菌纤维素吸收步骤S2所需的硫酸锂和葡萄糖；

S14:将吸满溶液的细菌纤维素水凝胶在-50℃下冷冻6～10小时后，迅速放入真空环境中干燥24小时，去除细菌纤维素中的水和叔丁醇，并保持细菌纤维素网状结构不变，得到硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素气凝胶。

所述步骤S2进一步包括以下步骤：