[发明专利]多孔碳纳米纤维及其制备方法和锂硫电池

说明书

本发明涉及锂硫电池领域，公开了多孔碳纳米纤维及其制备方法和锂硫电池。一种多孔碳纳米纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将造孔剂、表面分散剂、碳源和有机溶剂进行混合，得到纺丝液；(2)将所述纺丝液进行静电纺丝，得到碳纤维；(3)将所述碳纤维进行碳化、除去造孔剂、洗涤和烘干。本发明制备的多孔碳纳米纤维具有良好的机械强度、高电导率和纵横交错的网络结构，可直接作为硫的良好载体，而不需要导电剂与粘结剂。同时，多孔碳纳米纤维具有较大的比表面积及强的吸附能力，可以缓解聚硫化物在电解液中的溶解。采用本发明的多孔碳纳米纤维制备的锂硫电池具有优异的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂硫电池材料领域，具体涉及多孔碳纳米纤维及其制备方法，以及采用上述多孔碳纳米纤维制备得到的锂硫电池。

背景技术

随着大量化石能源的消耗以及对环境造成的污染，电池作为可持续的清洁能源扮演着很重要的角色。目前，锂离子电池正极材料由于其低的容量而无法满足现实需要，锂硫电池正极材料理论比容量高达1675mAh/g，因而是一种很有前景的正极材料。然而，锂硫电池同样面临几个问题：(1)充放电过程中产生的中间产物，即多硫化物易溶于有机电解液，这使得正极活性物质硫的利用率降低，电池循环性能衰减；(2)硫的离子导电率和电子导电率极低；(3)硫在离子脱嵌过程中发生的体积变化致使电极材料结构破坏，容量衰退。传统的锂硫电池正极材料的制作工序复杂，需要精准控制。涂膜工艺中需要的导电剂、粘结剂等非活性物质使活性物质硫的相对含量降低，因而能量密度降低。同时粘结剂在电池充放电过程中容易失效，使活性物质与集流体脱离，导致电池倍率性能变差，限制了锂硫电池的发展。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的锂硫电池性能不佳的问题，提供多孔碳纳米纤维及其制备方法，以及采用该多孔碳纳米纤维制备得到的锂硫电池，本发明制备的多孔碳纳米纤维具有良好的机械强度、高电导率和纵横交错的网络结构，可直接作为硫的良好载体，而不需要导电剂与粘结剂。同时，多孔碳纳米纤维具有较大的比表面积及强的吸附能力，可以缓解聚硫化物在电解液中的溶解。采用本发明的多孔碳纳米纤维制备的锂硫电池具有优异的循环性能和倍率性能。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种多孔碳纳米纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将造孔剂、表面分散剂、碳源和有机溶剂进行混合，得到纺丝液；

(2)将所述纺丝液进行静电纺丝，得到碳纤维；

(3)将所述碳纤维进行碳化、除去造孔剂、洗涤和烘干。

优选地，所述造孔剂为二氧化硅微球、氧化锌或碳酸钙；优选地，所述造孔剂的粒径为7-30nm。

优选地，所述表面分散剂为十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠和聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物中的一种或多种。

优选地，所述碳源为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚酰亚胺和酚醛树脂中的一种或多种。

优选地，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。

优选地，所述造孔剂、表面分散剂、碳源和有机溶剂的投料重量比为(0.3-0.9)：(0.9-2.7)：1：(5-15)。

优选地，所述混合的条件包括：混合温度为40-80℃，混合时间为2-16h。

优选地，所述静电纺丝的条件包括：电压为15-30kV，收集板和针头间的距离为15-25cm，推进泵的前进速率为0.8-1.2mL/h。

优选地，所述碳化的条件包括：碳化的气体为氩气或氮气，碳化温度为800-1200℃，升温速率为2-5℃/min，碳化时间为6-14h。

优选地，所述除去造孔剂的方法为将碳化后的碳纤维浸泡在氢氟酸溶液或氢氧化钠溶液中。