[发明专利]一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料、制备方法及应用，首先使用以硼氢化钠和环己烷混合，加入三氯化铁水溶液通过冰浴法获得四氧化三铁，通过改善硼氢化钠的用量和三氯化铁水溶液浓度，以及改善反应温度，反应时间，得到最佳的样品形貌以及最佳尺寸的链状四氧化三铁；以多巴胺为碳源在四氧化三铁上包裹碳层，在氮气气氛下碳化，再在稀盐酸作用下刻蚀，最后通过熏硫负载上硫颗粒，获得碳负载硫的链状核壳结构复合材料。核壳结构有助于增强复合材料的比表面积，碳能增加四氧化三铁的表面粗糙度，也有利于增加样品的导电性。该材料应用于锂硫电池正极材料，具有良好的循环性能和稳定性能，以及拥有较高的比容量。

技术领域

本发明属于新能源材料锂硫电池技术领域，具体涉及一种一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料、制备方法及应用。

背景技术

近年以来，由于越来越恶劣的环境和越来越短缺的化石燃料，并且不可再生能源存储量日益减少、生态系统也越来越脆弱，太阳能、水能和风能等清洁能源和可再生能源的需求也逐渐变得越来越迫切。因此发展具有高容量、高能量密度、长循环寿命、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义。

我们所知道的锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂片作为电池负极的一种高能量密度电池，其理论比能量高达(2600Wh Kg^-1)和较高的理论比容量(1675mAh g^-1)。由于锂硫电池中的电极材料单质硫廉价，且具有丰富的自然资源和友好的生态环境；又因锂硫电池制作过程简便，成本低等优点，使得锂硫电池体系极具商业化价值。

但是锂硫电池存在一定的问题和挑战，一直约束着其进一步的发展，即单质硫和放电产物(Li₂S)的电绝缘性质，充放电过程中体积膨胀严重和中间产物多硫化物在电解质中的溶解，这些问题导致电池中硫的利用率低，从而使电池的循环性能差、倍率性能差、容量衰减快。

发明内容

本发明提供了一种一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料，核壳结构具有较大的比表面积，有利于电子传输，可负载更多的活性物质。

本发明还有一个目的在于提供一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料的制备方法，利用操作简单的步骤制备得到链状四氧化三铁，再通过以多巴胺为碳源包裹碳，再在氮气条件下煅烧获得碳纳米管包裹四氧化三铁材料，通过用稀盐酸刻蚀得到核壳四氧化三铁/碳纳米管纳米材料，之后负载硫获得锂硫电池正极材料；其制备工艺简单、产率高、成本低。

本发明最后一个目的在于提供一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料的应用，用于制备锂硫电池。

本发明具体技术方案如下：

一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将硼氢化钠和环己烷混合均匀，再加入三价铁盐溶液混匀后，进行冰浴反应，得到链状四氧化三铁材料；

2)将步骤1)制备的链状四氧化三铁材料分散在水中，加入三羟甲基氨基甲烷后，再加入盐酸多巴胺，进行反应，反应结束后，得链状四氧化三铁/碳纳米材料；

3)将步骤2)制备的链状四氧化三铁/碳纳米材料焙烧，制得链状四氧化三铁/碳纳米管；

4)将步骤3)制备的链状四氧化三铁/碳纳米管分散在稀盐酸溶液中，反应，获得链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管；

5)将步骤4)制备的链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管与硫粉混合均匀，熏硫，得到一维链状核壳结构四氧化三铁/碳纳米管/负载硫的复合材料。

步骤1)中，所述三价铁盐溶液优选为FeCl₃溶液；所述三价铁盐溶液和环己烷的体积之比为1-1.3:1。