[发明专利]一种基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、锂硫电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、锂硫电池及其制备方法。本发明利用细菌纤维素生物培养过程中需要的N源进行N掺杂，制备电池正极材料；通过将超轻碳化细菌纤维素夹层与多孔碳的复合制备具有强吸附能力的电池夹层；借助离子选择性阻挡层Nafion与细菌纤维素气凝胶的结合制备电池隔膜材料，将基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、碳化细菌纤维素功能夹层、Nafion/BC隔膜组装成锂硫电池。本发明通过N元素掺杂、功能夹层引入、Nafion/BC隔膜的联合使用，多层面控制多硫化物向锂负极扩散，实现针对多硫化物扩散的多级抑制，有效控制穿梭效应，组装形成的Li‑S电池具有高比容量，高库仑效率以及稳定的循环性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池领域，涉及一种基于N掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、锂硫电池及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是目前综合性能最好的二次电池，已广泛应用于各类便携式设备中。随着电动汽车、智能电网及航空航天等高耗能设备设施的迅猛发展，对锂离子电池能量密度和功率密度的要求也越来越高。然而，传统的锂离子二次电池由于受正极材料理论储锂容量的制约，难以在提升能量密度方面取得突破性进展，如使用最为广泛的LiCoO₂正极材料其理论能量密度仅为387Wh kg^-1，还远不能满足上述高能耗需求。因此，寻找新的正极活性材料显得尤为重要。以单质S为正极，金属锂为负极所构成的Li-S电池具有的理论能量密度高达2567Wh kg^-1(理论比容量1675mAh g^-1)，远高于目前商品化的锂离子电池。此外，单质S还具有储量丰富、环境友好、廉价易得等优点，所以，锂硫(Li-S)二次电池备受人们的关注。但是Li-S电池仍然存在不少问题需要解决，主要包括多硫化物溶解在电解液中所产生的“穿梭效应”，以及充/放电过程中由于活性物质体积变化所导致的电极结构的破坏，最终都可能造成电池容量较低、库仑效率不高、循环性能较差。

众所周知，生物质材料资源丰富，来源广泛，廉价易得，并且大多为可再生的环境友好型材料，生物质碳是由此类材料在惰性气氛下经高温退火加工而成的碳化材料。生物质碳材料通常可以保留其前驱体所特有的微观结构，而且也较容易实现工业化生产。细菌纤维素(BC)是由木醋杆菌代谢合成的一种一维纤维素基生物大分子，相比于植物纤维素，其在纯度、聚合度、结晶度和取向性等方面均有很大优势。生物质BC的碳化产物(碳化细菌纤维素，CBC)具有独特的三维网状大孔结构、良好的柔韧性和机械稳定性。然而作为无定型碳材料，CBC表现出较为有限的电子导通能力。Wang等人(Bin Wang et al.Small,2013,9(14):2399-2404.)首次制备Ge/CBC复合材料用于锂离子电池，该电池表现出较差的倍率性能，分析认为电导率是影响其电池性能的关键因素。此外，高温碳化获得的CBC小孔含量较低，因此在Li-S电池运行中对溶解性多硫化物吸附控制能力较为有限(Yang Huang etal.Journal of Materials Chemistry A,2015,3:10910-10918.)。如何改善基于CBC的复合材料的电导率，并有效地控制Li-S电池中多硫化物的扩散是目前进一步优化基于CBC的Li-S电池的关键问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极。

实现上述目的的技术方案如下：

一种基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极，通过以下步骤制备得到：

步骤1，将细菌纤维素膜片从培养基中取出后，水洗去除膜表面的多余发酵液，冷冻干燥得到含氮源的细菌纤维素气凝胶；

步骤2，将含氮源的细菌纤维素气凝胶压平处理，然后在惰性气氛下于800-1000℃下碳化，得到氮掺杂碳化细菌纤维素(NCBC)气凝胶；