[发明专利]一种硫化锂自支撑碳球/碳纳米纤维复合材料的制备方法和锂硫电池

说明书

本发明公开了一种硫化锂自支撑碳球/碳纳米纤维复合材料的制备方法和锂硫电池，包括以下步骤：步骤S1，制备硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素水凝胶复合材料；步骤S2，将硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素水凝胶复合材料中的葡萄糖转化为碳球，使硫酸锂更好地被碳材料包覆，减缓聚硫锂的扩散，细菌纤维素转化成碳纳米纤维，从而形成一种碳球/碳纳米纤维的气凝胶复合材料。采用本发明的技术方案，无需添加粘连剂，碳化后直接自支撑形成电极；同时能够构造出碳球结构和碳纳米纤维网状结构，并且结构中的硫化锂纳米颗粒被有效包覆，能够增加电极中的电子导电性，提高电极中电子的传输效率，抑制“穿梭效应”，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，尤其涉及一种硫化锂自支撑碳球/碳纳米纤维复合材料的制备方法和锂硫电池。

背景技术

在过去的几十年时间里，能源短缺问题越来越严重。随着科学技术的发展，人们对储能系统和化学电源提出了更高的要求。近年来，由于锂硫电池的理论比容量高达1672mAh/g，能量密度高达2600Wh/kg，且硫储量巨大，成本低，对环境无污染，因此在商业化应用中有很大的前景，锂硫电池被认为是最有前途的下一代锂离子电池之一。

目前，锂硫电池的发展仍然存在一些问题：第一，硫及其相应硫化物室温时的电子导电率很低，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，降低了电池的电化学性能；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，甚至导致电池损毁。

发明内容

细菌纤维素是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物，它具有超精细网状结构、较高的吸水和保水性能、较高的生物相容性、适应性和良好的生物可降解性。本发明提出一种基于细菌纤维素水凝胶制备电极材料的方法，使葡萄糖硫酸锂溶液进入水凝胶中，经过水热使葡萄糖转化为碳球，更好地包裹硫酸锂，减缓聚硫锂的扩散，再将其经过炭化转化为硫化锂自支撑碳球/碳纳米纤维复合结构，从而能提供一种制备电极的新型结构。该方案在制备电极的过程中不需要添加黏合剂，应用于锂硫电池中。

为了解决现有技术存在的技术方案，本发明提出一种利用细菌纤维素水凝胶制备硫化锂自支撑复合材料的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/细菌纤维素水凝胶复合材料；

步骤S2，将硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素水凝胶复合材料中的葡萄糖转化为碳球，使硫酸锂更好地被碳材料包覆，减缓聚硫锂的扩散，细菌纤维素转化成碳纳米纤维，从而形成一种碳球/碳纳米纤维的气凝胶复合材料。

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，并将水凝胶中的水去除；

S11：配制硫酸锂、葡萄糖水溶液，并将细菌纤维素放入溶液中浸泡20～60分钟，使细菌纤维素充分吸收该溶液，得到硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维素水凝胶。

所述步骤S2进一步包括以下步骤：

S20：将硫酸锂/葡萄糖/细菌纤维水凝胶放入水热反应釜中，进行水热反应，自然降温后取出，得到水热后的水凝胶；

S21：将水热后的细菌纤维素放入冷冻干燥机中，经过6～10小时的冷冻和24小时的干燥后取出，得到气凝胶；

S22：将气凝胶放入管式炉中，在氩气气氛环境保护下，升温至600℃～900℃煅烧1～6小时后自热降温，即可得到成品硫化锂自支撑碳球/碳纳米纤维复合材料。

作为优选的技术方案，作为优选的技术方案，在步骤S11中，室温下，硫酸锂、葡萄糖、水的质量之比为1:0.8:90。