[发明专利]一种基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、锂硫电池及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、锂硫电池及其制备方法。本发明利用细菌纤维素生物培养过程中需要的N源进行N掺杂，制备电池正极材料；通过将超轻碳化细菌纤维素夹层与多孔碳的复合制备具有强吸附能力的电池夹层；借助离子选择性阻挡层Nafion与细菌纤维素气凝胶的结合制备电池隔膜材料，将基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极、碳化细菌纤维素功能夹层、Nafion/BC隔膜组装成锂硫电池。本发明通过N元素掺杂、功能夹层引入、Nafion/BC隔膜的联合使用，多层面控制多硫化物向锂负极扩散，实现针对多硫化物扩散的多级抑制，有效控制穿梭效应，组装形成的Li‑S电池具有高比容量，高库仑效率以及稳定的循环性能。

主权项

1.基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极组装的Li‑S电池的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，将细菌纤维素膜片从培养基中取出后，用1M的NaOH蒸煮，水洗直至洗涤液呈中性，冷冻干燥得到纯净的细菌纤维素气凝胶，之后将细菌纤维素气凝胶压平处理，再在惰性气氛下于800‑1000℃碳化，得到超轻碳化细菌纤维素膜；步骤2，将多孔碳均匀分散于N‑甲基吡咯烷酮中，通过涂膜的办法将多孔碳分散液复合到超轻碳化细菌纤维素膜表面，多孔碳的复合量为0.10‑0.20mg/cm²，作为碳化细菌纤维素功能夹层；步骤3，将纯细菌纤维素气凝胶浸泡到Nafion溶液中，充分浸泡后转移至1M LiOH溶液中进行锂化处理，温度保持60‑100℃，冷冻干燥后压平处理，作为Nafion/BC隔膜，隔膜中Nafion在纯细菌纤维素气凝胶中的复合量为0.2‑1.0mg cm^‑2；步骤4，以含1M双三氟甲基磺酸酰亚胺锂电解质，1.0wt％浓度的硝酸锂添加剂，溶剂为体积比为1:1的乙二醇二甲醚和1,3‑二氧戊环的混合溶液，作为电解液，以S/NCBC复合材料为正极，金属锂为负极，Nafion/BC隔膜为电池隔膜，碳化细菌纤维素功能夹层置于正极和隔膜之间组装成Li‑S电池；所述的S/NCBC正极通过以下步骤制备：步骤a，将细菌纤维素膜片从培养基中取出后，水洗去除膜表面的多余发酵液，冷冻干燥得到含氮源的细菌纤维素气凝胶；步骤b，将含氮源的细菌纤维素气凝胶压平处理，然后在惰性气氛下于800‑1000℃下碳化，得到氮掺杂碳化细菌纤维素气凝胶；步骤c，将氮掺杂碳化细菌纤维素气凝胶浸渍于S/CS₂溶液中，取出后，密闭环境下在130‑300℃进行热处理，使单质S呈熔融状态，并均匀地扩散至氮掺杂碳化细菌纤维素气凝胶网孔内部，冷却后得到基于氮掺杂碳化细菌纤维素的电池正极，即S/NCBC正极，其中S/NCBC正极电极片的含S量为75‑90wt％。