[发明专利]一种包含兔毛中空碳纤维的锂硫电池用正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种包含兔毛中空碳纤维的锂硫电池用正极材料及其制备方法，正极材料由硫/兔毛中空碳纤维复合材料、碳纳米管、Super P和聚偏氟乙烯四种组分制备而成；其中，兔毛中空碳纤维通过对兔毛进行预处理、热处理、碳纤维化、以及清洗干燥四个步骤完成，并在制备正极材料前浸泡于磷酸溶液中进行酸化处理后在高温下与熔融的液态硫形成复合材料再与碳纳米管、super P和聚偏氟乙烯混合均匀得到；该锂硫电池用正极材料利用具有中空碳纤维结构的兔毛作为硫单质储存单元通过与其他组分复配实现改善锂硫电池的充放电比容量、热稳定性以及循环寿命的目的；此外其制备方法简单易控且有效解决兔毛在碳化过程中的热收缩问题，使碳纤维形貌完整保留。

技术领域

本发明涉及纤维制备和电极材料技术领域，特别涉及一种包含兔毛中空碳纤维的锂硫电池用正极材料及其制备方法。

背景技术

在生物质材料中，山羊毛作为一种环保型、低成本、易利用、可持续的生物质材料，在世界各地广泛分布。它由丰富的粗蛋白(角蛋白)和氨基酸组成。这表明山羊毛是一种很有前途的碳源，可用于制备本征杂原子掺杂的多孔碳材料，并可广泛应用于储能、分解、吸附等领域。Juan Ren等采用磷酸活化和高温碳化法制备了原位氮、氧、磷掺杂的山羊毛分级多孔碳(NOPC)。相对于制备多孔碳的代表性合成路线(如聚合物的热解、CVD、模板法)，该方法相对简便、安全、经济、环保。更重要的是，活化的前驱体是在600C热处理，产品收率高(31.2％)，有利于大规模生产碳材料。

除羊毛外，兔毛也具有来源广泛且成本较低的特点，然而据统计我国每年有几十吨的兔毛废弃物会被直接丢弃在垃圾填埋场。这是因为兔毛虽然也是一种常见的兔毛，但是其与其他蛋白生物质纤维，如羊毛、人类头发等相比，兔毛是一种具有天然中空结构的含有氮硫磷元素的生物质原料，但是采用现有的技术手段将兔毛转化为碳纤维会出现纤维严重热收缩情况并呈现烧焦状形态，无法得到纤维形貌保存良好的兔毛碳纤维。因此，对兔毛的碳纤维化研究以期制备出是具有天然中空结构的碳纤维，是有效利用这些天然的资源，发挥羊毛、兔毛潜在的巨大的价值，并将其应用于人们实际生活中的一个重要研究方向。

目前，锂硫电池在充放电循环过程中受到其正极材料中的多硫化物的穿梭效应的影响，导致电池的循环寿命和库伦效率较低。而解决该问题的关键因素在于如何对正极材料中的多硫化物进行固定。

锂硫电池由于所选用的硫在自然中大量存在，无毒和成本低，锂金属是自然中拥有最低标准电位(-3.04Vvs.SHE)，最小密度(0.53g·cm-3)和化学当量(0.26g·A-1·h-1)以及最高的理论比容量(3861mAh·g-1)，加上该电池拥有高的理论比容量(1675mAh·g-1)和能量密度(2600Wh·kg-1)，使其成为高性能电池研究的首选之一。尽管锂硫电池在理论上有相当高的能量密度，但是由于其电池在充放电过程中的“穿梭效应”导致电池容量迅速衰减，束缚了锂硫电池在实际的运用中推广。所谓“穿梭效应”指在电池放电过程中由硫单质还原的长链多硫化物从电池正极出发，穿透过电池隔膜，到达电池负极。在此过程中由于多硫化物溶解于电解质，其在锂硫电池的正极与负极之间发生一系列相应的反应，使得正负极活性物质损失和带来电池严重的自放电。在此过程将发生的反应将消耗活性的硫化合物和负极上的锂，并且其在负极上生成Li2S2和Li2S覆盖在负极锂的表层，造成锂负极严重极化。其次，单质硫的电子离子电导率和电导率均十分低，导致正极材料的电化学活性和利用率也随之较低。此外，正极材料在充放电过程中极大的体积变化也使得锂硫电池的放电比容量迅速下降。

针对上述问题，具有特殊性能的纤维和特殊结构的碳材料吸引也人们注意。兔毛中空碳纤维制备工艺简单，且具有天然的中空结构，可适应正极体积变化和提供良好的导电路径，兔毛中空碳纤维中含有天然的氮磷硫元素，可以有效抑制多硫化物的穿梭效应，将其用于锂硫电池正极材料具有很大的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于锂硫电池正极材料的兔毛中空碳纤维。

本发明的另一目的是提供一种包含上述兔毛中空碳纤维的锂硫电池用正极材料。