[发明专利]一种锂硫电池用正极复合材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用正极复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)在惰性气氛下对棕榈树纤维进行高温碳化，得到生物碳纤维；(2)将生物碳纤维活化；(3)制备多孔碳纤维；(4)酸处理得到亲水性的碳纤维；(5)将高锰酸钾、亲水性的碳纤维反应处理，得到锰氧化物/生物碳纤维复合材料；(6)将升华硫与锰氧化物/生物碳纤维复合材料进行熔融复合，得到基于生物碳纤维的锂硫电池用正极复合材料。本发明的碳源源于棕榈树纤维，原料成本低，制备得到的生物质炭具有一定的导电性和孔结构，有利于改善硫绝缘性及缓解体积膨胀；本发明制备的锰氧化物具有极性，对反应过程中生成的聚硫化物的溶解有一定的抑制作用。

技术领域

本发明属于电化学能源和纳米材料领域，涉及一种锂硫电池用正极复合材料的制备方法。

背景技术

随着移动电子设备和电动行业迅速发展，现有锂离子电池的性能远不能满足未来对于供电、运输以及使用携带的能量储存需求，锂硫电池凭借其高的理论能量密度、良好的安全性、丰富的材料来源、低廉的成本且对环境友好等优势，已经成为新一代高性能电池的研究热点。

单质硫具有极高的理论比容量(1675mAhg^-1)，被认为是最具潜力的下一代高能量密度二次电池正极材料。假设S与Li完全形成Li₂S，则锂硫电池体系的理论比能量和体积能量密度可以达到2600Whkg^-1，远高于现有的锂离子电池的比能量(400Whkg^-1)。此外，硫还具有价格低廉、储量丰富和环境友好等优点，最有可能为目前的电动汽车提供轻质的动力来源和支持，这些优势都使得锂硫电池成为了世界各国的研究热点。尽管锂硫电池在能量密度和成本上具有巨大优势，但仍然存在许多难以解决的致命问题，阻止了其实际应用：

(1)多硫化锂在电解液中的形成、溶解和迁移，多硫化物在电解液中的溶解和传输(扩散)会严重影响锂硫电池中活性物质硫的电化学利用率(如放电容量)、倍率性能，循环中多硫化物在正极和负极之间的穿梭，降低电池的循环寿命。

(2)固态的单质硫和放电产物的电子绝缘性，单质硫的导电性很差，在室温下电导率会降低活性物质的电化学利用率和倍率性能。

(3)硫正极在循环中体积形貌的变化，在循环中，正极中活性物质的形态改变和体积的膨胀收缩，使得正极的微观结构和组织会发生恶化坊塌，限制了锂硫电池性能的发挥。

申请号CN 103682280 A的专利涉及一种锂硫电池正极材料、其制备方法及锂硫电池，该发明提供一种锂硫电池正极材料，包括硫颗粒、导电添加剂和石墨烯，该发明以氧化石墨烯、导电添加剂和硫颗粒为原料，将导电添加剂和硫颗粒进行热处理后进行喷雾干燥，然后将得到的导电添加剂/硫复合物与氧化石墨烯混合，采用还原剂还原氧化石墨烯，得到锂硫电池正极材料。由于石墨烯的成本高，限制了其规模化应用，并且其制备工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单、成本低、硫含量可控、易于规模化生产的锂硫电池用正极复合材料的制备方法。

本发明一种锂硫电池用正极复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在惰性气氛下对棕榈树纤维进行高温碳化，得到生物碳纤维；

(2)将步骤(1)得到的生物碳纤维与氢氧化钾混合，在惰性气氛下煅烧以进行活化；

(3)将步骤(2)得到的活化碳纤维与浓碱或氢氟酸反应以除去生物炭中的二氧化硅，得到多孔碳纤维；

(4)用强酸对步骤(3)得到的多孔碳纤维进行处理，得到亲水性的碳纤维；

(5)将高锰酸钾和步骤(4)得到的亲水性的碳纤维反应处理，得到锰氧化物/生物碳纤维复合材料；

(6)将升华硫与步骤(5)得到的锰氧化物/生物碳纤维复合材料进行熔融复合，得到所述锂硫电池用正极复合材料。