[发明专利]一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法

说明书

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法。其中构建阳离子基团碳布集流体，通过在碳布的碳纤维醚化处理接有阳离子基团；通过活性物质硫碳复合物提供高导电性和附着位点，碳纤维上的阳离子基团对电化学反应产生的中间产物多硫化物负离子起吸附作用，以解决多硫化物溶解于电解液中而损失的问题，从而不管在低硫负载量还是在高硫负载量的情况下，锂硫电池体系都能保持高容量稳定循环。并且在锂硫电池正极中添加具有阳离子基团的物质(Z)‑1‑(3‑氯‑2‑丙烯基)‑3,5,7‑三氮杂‑1‑氮翁三环[3.3.1.L3,7]癸烷氯化物，解决中间产物多硫化物溶解性问题，进而赋予了锂硫电池优异的性能。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法。

背景技术

作为一种高效的储能系统，从各种电子产品到电动汽车，再到电网规模化能量存储的扩展应用，锂电池一直参与到能源生态演变这一重要进程中。过去几十年锂离子电池在这一进程中一直占据着主导地位，然而它的高成本和越来越接近理论极限的现状，使得学术界和工业界都在寻求超越锂离子嵌入的新型化学储能电池，以满足对不断增长的能源需求。锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。封闭的Li-S系统与LIB类似，在电池制造方面，从LIB到Li-S电池的转换更简单有效，从而使其比开放的锌-空气与锂-空气系统更具商业可行性。同时，作为正极材料的单质硫不仅对环境及人类影响极小，而且是地球上丰度最高的元素之一，它目前的均价仅为$0.25/kg，而这还不足锂离子电池正极材料LiCoO₂(均价为$40/kg)价格的百分之一。并且其材料理论比容量和电池理论比能量分别高达1675mAh/g和2600Wh/kg，远高于商业上广泛应用的钴酸锂电池(150mAh/g和300Wh/kg)。由此看来，锂硫电池是一种非常有前景的新型锂电池。

然而，锂硫电池没有大规模商业化有其两大主要原因：(1)反应原料S与反应终产物Li₂S₂、Li₂S的差导电性，使得电化学反应很难进行；(2)反应中间产物Li₂S_n(n＝4，6，8)极易溶解于电解液中，并进一步产生穿梭效应，扩散到负极一侧，直接与锂片接触反应，导致活性物质的损失，电池体系容量的快速衰减。在追求高硫负载量、高能量密度的情况下，以上问题更加严重。针对以上两大问题，科研工作者们已做出很多工作。针对体系中反应物差的导电性，解决方法是通过与金属氧化物、导电聚合物、有机框架和各种形式的碳材料等导电材料复合，将与硫有关的物种的导电率提高，可以很好的发挥出活性物质的容量。但是中间产物多硫化物溶解问题，是造成锂硫电池容量快速衰减的重大原因。锂硫电池要想达到长期稳定循环工作，多硫化物溶解性问题急需解决。

因此，本领域急需建立针对多硫化物溶解的体系，以维持锂硫电池长期稳定循环。本发明提出将阳离子基团应用于锂硫电池中，阳离子基团对多硫化物阴离子具有正负电吸附作用，以解决多硫化物溶解损失的问题，建立锂硫电池长期稳定循环体系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种阳离子基团碳布集流体及其制备方法。其中构建阳离子基团碳布集流体，通过在碳布的碳纤维醚化处理接有阳离子基团；通过活性物质硫碳复合物提供高导电性和附着位点，碳纤维上的阳离子基团对电化学反应产生的中间产物多硫化物负离子起吸附作用，以解决多硫化物溶解于电解液中而损失的问题。所述醚化碳布是通过具有醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵上的阳离子基团修饰，所用活性物质硫碳复合物是硫源与多孔碳材料熔融复合所得。

为了达到上述目的，本发明采取以下的技术方案：

一种阳离子基团碳布集流体的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括如下步骤：

(1)采用氧化处理的方式，使碳布带上羟基；

(2)将步骤(1)得到的羟基化的碳布，置于含有阳离子基团物质的碱性溶液中，在加热条件下进行处理；