[发明专利]一种三维导电网络结构复合材料及其制备方法和应用

说明书

发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，尤其涉及一种三维导电网络结构复合材料及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：1)将六水氯化铁、氢氧化钠和去离子水在高温下混合，得到第一混合溶液；2)将所述第一混合溶液进行水热反应，得到氧化铁；3)将氧化铁与碳化钛、聚丙烯腈和二甲基甲酰胺配置成第二混合溶液，对所述第二混合溶液进行静电纺丝，得到红棕色的纤维膜；4)将所述纤维膜进行前后两次煅烧处理，得到煅烧产物；5)将所述煅烧产物浸入盐酸溶液中进行刻蚀处理，得到刻蚀产物；6)将所述刻蚀产物与升化硫均匀混合后进行煅烧，得到三维导电网络结构复合材料。该材料可作为高性能的锂硫电池正极材料。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，尤其涉及一种三维导电网络结构复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

20世纪以来，现代社会科学技术发展迅速，人类对能源的需求因此日益增加。由于自然资源日益减少并枯竭，人类将目光投向了新型能源，诸如潮汐能、地热能、风能等。其中，二次电池具有能量密度高、循环寿命长、安全性高、成本低及绿色环保等特点在新型能源领域具有巨大的商业与应用前景，可广泛用于电动车、手机、笔记本电脑等。

锂硫电池是一种以金属锂作为负极，单质硫或硫基复合材料作为正极的二次电池，其能量密度高达2600Wh kg^-1，近年来获得了广泛的关注。相较于其他二次电池，它的性能优势更加突出。

但是，锂硫电池目前主要存在着1、硫的不导电性，不利于电池的倍率性能；2、多硫化物易溶于电解液导致穿梭效应；3、充放电过程中，硫和硫化锂的体积膨胀导致形貌坍塌等问题。目前现有技术通过合理地调控正极材料的形貌来改善电池的倍率性能，但是与理论值仍有较大差距，并且低倍率与低硫载量限制了锂硫电池的实际应用。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维导电网络结构复合材料及其制备方法和应用。本发明制得的三维导电网络结构复合材料具有优异的倍率性能与循环稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种三维导电网络结构复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将六水氯化铁、氢氧化钠和去离子水在高温下混合，得到混合溶液；

(2)将所述步骤(1)得到的溶液进行水热反应，得到氧化铁；

(3)将所述步骤(2)得到的氧化铁与碳化钛、聚丙烯腈和二甲基甲酰胺配置成溶液，通过静电纺丝得到红棕色纤维膜，该纤维膜为氧化铁、碳化钛和聚丙烯腈的复合材料；

(4)将所述步骤(3)得到的纤维膜进行前后两次煅烧处理，得到煅烧产物，该煅烧产物为氧化铁、碳化钛和碳纤维的氮杂复合材料，碳化钛和碳纤维的复合物构成无限延伸的三维网络骨架，骨架间包裹氧化铁，含氮的基团附着在三维网络骨架之上；

(5)将所述步骤(4)得到的煅烧产物浸入盐酸溶液中进行刻蚀处理，刻蚀掉三维网络骨架间包裹的氧化铁并形成空腔，得到刻蚀产物；

(6)将所述步骤(5)得到的刻蚀产物与升化硫均匀混合后进行过程控制煅烧，升化硫渗透到三维网络骨架中的空腔中，并且，渗入到碳纤维的孔隙中，得到三维导电网络结构复合材料。

从空间结构来讲，材料中的三维网络骨架在各空腔处形成了类似盒状的结构，各盒状的结构又由碳纳米纤维彼此紧密相连，形成了分层次的类似“项链”的结构。其中，骨架上掺杂有碳化钛纳米颗粒与氮原子，并在整个空间内不间断延伸。该材料因此又可记作CNB-TiC@CNF/S。其中，CNB是Carbon Nano Boxes的简称。

优选地，所述步骤(1)中六水氯化铁、氢氧化钠和去离子水的用量比为170mmol:270mmol:80～130mL，混合温度为70～100℃，混合时间为3～10分钟。