[发明专利]一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料领域，具体涉及一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为新型高能量密度二次电池，已成为各国研究开发的重点和热点。在正、负极材料的选择上，正极材料必须选择高电位的嵌锂化合物，负极材料必须选择低电位的嵌锂化合物。正极材料是锂离子电池的重要组成部分，与电池的电化学性能密切相关。过渡金属氧化物和磷酸盐材料是目前主要的产业化正极材料，但其实际比容量不超过300mAh/g。为满足动力电池高比能量和高比功率的使用要求，近几年以硫与碳的复合材料为正极材料的锂硫电池备受关注。硫的理论比容量为1675mAh/g，锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg。单质硫具有来源丰富、对环境友好、价格便宜、电池安全性好等优点。因此，锂硫电池是非常有发展前景的高能量密度二次电池。

脱脂棉来自于棉花，棉花又广泛存在自然界中和废弃的衣服中。这些生物材料能够在高温碳化后留下很好的原始形貌，为制备电极材料提供了很好的生物模板。传统锂硫电池大部分是通过介孔碳材料来实现储硫，这种方法不仅价格昂贵而且对环境污染大，已近不能满足绿色环保，低碳经济的要求。选用脱脂棉作为研究对象，是一个非常重要并且有意义的课题。绝大多数棉制衣服在破旧后都会被焚烧或丢弃，棉制衣服不但没有得到充分的利用，并且对环境造成严重污染。只有少数的棉制衣服被加工重新和再利用。

发明内容

本发明第一个目的是提供一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料的制备方法，该C/Ni/S复合材料来源于脱脂棉，原料来源广泛且具有废物利用的特点，制备工艺简单，对环境友好，易于工业化实施。

本发明第二个目的是提供所述C/Ni/S复合材料作为锂离子电池正极材料的应用。

本发明的第三个目的是提供一种以所述C/Ni/S复合材料作为正极材料的锂离子电池。

下面具体说明本发明的技术方案。

本发明提供了一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料的制备方法，棉制衣服因为破旧，常被丢弃处理，然而将这些衣服进行脱脂处理后，就能当作生物模板，在其表面合成出多孔的C/Ni复合材料。再通过将其和S复合来制备C/Ni/S复合材料。

本发明的创新点在于对废旧棉制衣服的充分利用来制备C/Ni/S复合材料。具体而言，一种利用脱脂棉制得的C/Ni/S复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)脱脂棉洗净之后干燥，得到干燥后的脱脂棉；

(2)把干燥后的脱脂棉置于由NiSO₄、K₂S₂O₈和水组成的混合溶液中，并加入氨水，搅拌10～60min后洗净、干燥，得到干燥后的样品；

(3)将干燥后的样品与聚苯乙烯的二甲基甲酰胺(DMF)溶液混合，然后在氮气或氩气保护下以5～20℃/min的升温速率升至300～1000℃进行碳化，碳化后冷却、研磨得到C/Ni复合材料；

(4)取升华硫粉末溶于二硫化碳(CS₂)中，得到含有升华硫的二硫化碳溶液，将C/Ni复合材料与含有升华硫的二硫化碳溶液混合，搅拌至二硫化碳全部挥发，研磨挥发后的粉末；

(5)取研磨后的粉末放入120～180℃烘箱中6～18h，冷却、研磨得到C/Ni/S复合材料。

步骤(2)中，所述的由NiSO₄、K₂S₂O₈和水组成的混合溶液制备包括：配置浓度0.1～0.5mol/L的NiSO₄水溶液和0.05～0.3mol/L的K₂S₂O₈水溶液按体积比4：1～5混合得到。所述的氨水的质量百分数为10％～30％，具体是指氨水中氨的质量百分数。所述的氨水与NiSO₄水溶液的体积比为0.5～2：4。

步骤(3)中，所述的聚苯乙烯的二甲基甲酰胺溶液中聚苯乙烯的质量分数为5％～20％，优选为5～15％，最优选为10％。其中干燥后的样品(即预炭化后的样品)与聚苯乙烯的二甲基甲酰胺溶液的投料比没有特别要求，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。

步骤(3)中，升温速率优选为5～18℃/min，更优选为5～10℃/min，最优选为5℃/min；碳化温度优选为300～800℃，更优选为500～600℃，最优选为600℃；碳化时间优选为2～7小时，优选2～4小时，最优选2小时。