[发明专利]锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维的制备方法及利用其制备正极材料的方法

权利要求书

1.一种锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

1)利用气流同轴电纺，将芯层纺丝液和皮层纺丝液同时从同轴静电纺丝针头中挤出，在高速气流和静电电压的作用下，至接收网；得到具有皮芯结构的纳米级初生纤维；

所述气流同轴电纺，即是在常规同轴静电纺丝的纺丝针头外侧加一个高速气流容腔，所述高速气流容腔的开口与所述同轴静电纺丝针头同轴，在纺丝过程中，为挤出的纺丝细流施以轴向力；

所述芯层纺丝液包括：成碳高聚物、致孔聚合物和溶剂I；其中所述溶剂I为成碳高聚物和致孔聚合物的共溶剂；

所述皮层纺丝液包括：成碳高聚物、金属盐或氢氧化镁和溶剂II；其中，所述溶剂II为成碳高聚物和金属盐或氢氧化镁的共溶剂；

所述芯层纺丝液和皮层纺丝液选用的成碳高聚物为同一种物质；

2)将步骤1)得到的纳米级初生纤维在空气氛围，200～400℃条件下保温8～12h，然后在惰性气体氛围，800～1200℃条件下保温8～12h；得到外层为为微孔层，内层为多尺度孔结构层的碳纤维，即所述锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维。

2.如权利要求1所述锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：按照质量分数计，所述芯层纺丝液包括：30～35％的成碳高聚物、13～15％的致孔聚合物和52～55％的溶剂I；

所述皮层纺丝液包括：35～40％的成碳高聚物、3～5％的金属盐或氢氧化镁和55～62％的溶剂II。

3.如权利要求1所述锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述芯层纺丝液和皮层纺丝液的挤出速度比为1:1～5。

4.如权利要求1所述锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：所述成碳高聚物为聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚酰胺酸纤维、聚丙烯酸、聚苯并咪唑、聚乙烯吡咯烷酮和聚醚酰亚胺中的任意一种；

所述致孔聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚乳酸和聚环氧乙烯中的任意一种；

所述金属盐为醋酸锌、氯化钙、硫酸铝、铝酸钠、三氯化铁、二氯化铁和硫酸亚铁中的任意一种。

5.如权利要求1～4中任意一项所述锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：静电电压为35～45kV，高速气流的压强为0.01～0.1MPa，接收距离为30～50cm。

6.如权利要求1～4中任意一项所述锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维的制备方法，其特征在于：步骤2)中升温到200～400℃的升温速率为3～5℃/min；升温到800～1200℃的升温速率为3～5℃/min。

7.利用如权利要求1～4中任意一项所述制备方法制得的锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维制备正极材料的方法，其特征在于包括如下步骤：

①将所述锂硫电池用双层多孔碳纳米纤维在60～70℃条件下，浓度为25～30wt％的硝酸溶液中搅拌8～12h，然后将其放置于60～70℃的真空干燥箱中干燥，得到可直接应用于锂硫电池正极的碳纳米纤维；

②将步骤①得到的碳纳米纤维与纳米硫混合，在155℃的真空干燥箱中干燥12～24h，然后将升温至300℃后于真空干燥箱中干燥2～6h；再将含硫的碳纳米纤维放置在1M的Li₂S₈溶液中超声振荡2～6h后，再加入导电剂、粘合剂，超声振荡2～6h，得到混合溶液；

③将所述混合溶液经抽滤、干燥，得到片状的双层多孔碳纳米纤维/纳米硫正极材料。

8.如权利要求7所述正极材料的制备方法，其特征在于：步骤②中所述含硫的碳纳米纤维、导电剂、粘合剂的质量比为8:1:1～6:3:1。

9.如权利要求7所述正极材料的制备方法，其特征在于：所述导电剂为炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯或导电聚合物。

10.如权利要求7所述正极材料的制备方法，其特征在于：所述粘合剂为聚偏氟乙烯、海藻酸钠、聚丙烯酸或聚氧化乙烯。