[发明专利]具有三维导通核壳结构的复合锂硫电池电极材料的制备方法

说明书

本发明提出了具有三维导通核壳结构的复合锂硫电池电极材料的制备方法，先将聚丙烯腈溶解于N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，作为鞘液；将二硫化铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解到N,N‑二甲基甲酰胺溶剂中，作为芯液；将装有芯液和鞘液的注射器分别置于静电纺丝装置的两个注射泵上进行同轴静电纺丝，电纺喷射出的原丝纤维收集在滚轴上，再将得到的原丝纤维置于空气气氛马弗炉中进行预氧化，随后在惰性气体的保护气氛下碳化，制得核壳结构二硫化铁/碳@碳纤维复合材料，然后将得到的二硫化铁/碳@碳纤维复合材料浸入稀硝酸并搅拌抽滤烘干，最终制备出具三维导通核壳结构碳@碳纤维/硫复合锂硫电池电极材料。本发明得到的锂硫电极材料具有容量高和循环稳定性好的特点。

技术领域

本发明涉及电学材料技术领域，尤其涉及具有三维导通核壳结构的复合锂硫电池电极材料的制备方法。

背景技术

当前通讯、便携式电子设备、电动汽车等方面的飞速发展，迫切需要开发具有高比能量、低成本和环境友好的新型锂二次电池。在锂二次电池体系中，正极材料一直是制约电池发展的瓶颈。传统的正极材料理论比容量低且难通过组成和工艺进行提高。因此，对具有高能量密度、长循环寿命、低成本的储能材料的开发尤为迫切。单质硫具有较高的理论比容量(1675 mAh g^-1)和理论能量密度(2567 Wh kg^-1), 是目前已知的除氧气以外能量密度最高的锂二次电池正极材料。并且，单质硫还具有自然界储量丰富、低毒性、价格低廉等优点。因此，单质硫是一种非常有潜力的二次锂电池正极活性物质。但硫正极也存在着一些问题：

1)正极硫和放电产物硫化锂的电导率低，且在放电过程中产生的中间体多硫化物易溶于有机电解液，致使电池活性物质利用率降低。

2）单质硫和Li₂S的密度存在较大差异，在循环过程中还会出现明显的体积膨胀，造成硫正极结构的破坏。目前，将硫与其他活性支撑材料进行共热制备硫复合材料成为一种行之有效的方法，但这种方法也存在着一定的缺陷：一方面，通过共热方法浸入基体材料中的硫负载量受到了限制；另一方面，部分硫会沉积在基体材料表面，在充放电循环过程中会从基体材料表面脱落。

发明内容

本发明旨在解决锂硫电池硫电极材料电导率低、穿梭效应等明显的技术问题，提供一种具有三维导通核壳结构的复合锂硫电池电极材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：具有三维导通核壳结构的复合锂硫电池电极材料的制备方法，其包括：

S1、将聚丙烯腈溶解于N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，磁力搅拌至完全溶解后作为鞘液；将二硫化铁和聚乙烯吡咯烷酮溶解到N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，磁力搅拌并超声形成分散均一的溶液作为芯液；

S2、将装有芯液和鞘液的注射器分别置于静电纺丝装置的两个注射泵上进行同轴静电纺丝，电纺喷射出的原丝纤维收集在滚轴上；

S3、将原丝纤维置于270℃空气氛马弗炉中进行预氧化，然后再在惰性气体的保护气氛下碳化，即得到核壳结构二硫化铁/碳@碳纤维复合材料；

S4、将核壳结构二硫化铁/碳@碳纤维复合材料浸入稀硝酸中搅拌3-10h，然后进行加水抽滤的洗涤过程，最后将洗涤后的材料进行烘干即得到内部网络连通的核壳结构硫/碳@碳纤维锂硫电极材料。

更进一步的是，步骤S1中，所述聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺溶剂的质量比为10:95，例如10g：95g。

更进一步的是，所述二硫化铁、聚乙烯吡咯烷酮和N,N-二甲基甲酰胺溶剂的物料质量比为15:45:95，例如15g：45g：95g。

更进一步的是，所述步骤S2中，纺丝的条件为：纺丝电压10-20 KV，纺丝距离5-25cm，芯液流速为0.2-1.0 ml h^-1；鞘液流速为2.0-4.0 ml h^-1。