[发明专利]一种碳纳米管-介孔碳/硫复合材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种碳纳米管‑介孔碳/硫复合材料的制备方法，属于锂硫电池正极材料技术领域。本发明提出一种碳纳米管‑介孔碳/硫复合材料的制备方法。以经过预处理的多壁碳纳米管作为基体、葡萄糖作为水热碳源，通过水热反应制备具有介孔结构的同轴碳纳米管‑碳材料，采用热熔载硫的方法将硫负载到具有介孔结构的同轴碳纳米管‑碳材料上得到碳纳米管‑碳/硫复合材料，将其用作锂硫电池正极材料，可有效地限制活性物质的损失。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料技术领域。

背景技术

随温室效应的加剧，人们的环保意识逐渐提高，现阶段的化石能源已不能满足人类急剧增长的需求。可再生能源已经成为当今研究的重点，如太阳能、风能等，但这些能量易受外界因素的影响且需要大规模的装置来储存这些能源。化学电池是将化学能转化为电能的稳定装置，可循环使用。当前，锂离子化学电池已被应用于各种储能领域中。但由于锂离子电池容量低，难以满足人们对高能量密度的需求。由此，研究的重点逐渐转向了锂硫电池。硫含量丰富，能量密度高，在锂硫电池的研究中具有重要意义。通常，在制备锂硫电池时，硫是作为锂硫电池正极材料使用，在电池放电过程中硫会由单质逐步转变为硫化锂(Li2S)。在上述的放电过程中，由于单质硫为绝缘体，充放电过程的中生成的中间产物多硫化锂的导电性差，在一定程度上限制了锂硫电池的发展。因此，在制备锂硫电池的正极材料时，研究者经常通过加入导电添加剂的方式来提高电极的导电性。

碳纳米材料来源广泛，密度较小、机械强度好、导电性强、电化学性质稳，现已成为锂硫电池中最常用的硫载体。作为锂硫电池中最常用的碳纳米材料，碳纳米管是一种一维碳材料，内部碳原子以sp2杂化轨道成键，具有特殊的六边形结构，是碳的同素异形体。然而，尽管碳纳米管具有优异的力学性能、超高的导电和导热性能，但其却具有较低的孔隙率。将碳纳米管作为硫的载体时，无法限制活性物质与电解液的接触，导致充放电过程中活性物质直接溶解在电解液中，在后续循环中不能再次提供容量，造成电池不可逆的容量损失。开发适用于硫载体的碳材料成为了当前研究的热点。介孔碳是一种备受研究者们青睐的碳材料，具有大比表面积、高孔隙率的特点。若将介孔碳应用于锂硫电池中，将可以很好地限制硫的溶出，使锂硫电池具有较高的电化学稳定性。

发明内容

为解决目前现有技术所存在的问题，本发明提出一种碳纳米管-介孔碳/硫复合材料的制备方法。以碳纳米管作为基体、葡萄糖作为水热碳源，制备具有介孔结构的同轴碳纳米管-碳材料，将硫负载到该碳基材料后得到碳纳米管-碳/硫复合材料，将其用作锂硫电池正极材料，可有效地限制活性物质的损失。

本发明涉及一种碳纳米管-介孔碳/硫复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)多壁碳纳米管的预处理

将500mg多壁碳纳米管与80mL浓硫酸置于圆底烧瓶中，组装冷凝回流装置，加热至80℃并保温4h。待自然冷却至室温后，过滤黑色溶液得到黑色固体，洗涤至滤液pH为中性，干燥所得固体，待用。

(2)碳纳米管-介孔碳材料(COCNT)的制备

将碳纳米管作为基体，葡萄糖作为水热碳源。取20mg处理后的碳纳米管均匀分散在40mL去离子水中，加入30mg溴化十六烷三甲基铵(CTAB)和2～4g葡萄糖。将上述所得混合溶液经超声分散均匀后，把所得溶液转移到聚四氟乙烯反应釜中，190℃保温19h。利用抽滤装置分离所得黄褐色物质，将抽滤所得固体用去离子水冲洗3次，在60℃的环境下烘干。接着将烘干后得到粉末放入管式炉内，在氩气氛围下，800℃下保温2h，去除粉末在室温下冷却，最终冷却得到的黑色固体为碳纳米管-介孔碳材料(COCNT)。

(3)碳纳米管-介孔碳/硫复合材料(COCNT/S)的制备