[发明专利]一种改性甘蔗渣/硫复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明为一种改性甘蔗渣/硫复合材料的制备方法及其应用。该方法包括以下步骤：第一步，制备甘蔗渣前驱体；第二步，制备改性甘蔗渣；第三步，制备改性甘蔗渣/硫复合材料：将上述第二步制得的改性甘蔗渣和纳米硫粉，放入球磨机中球磨处理2～4h，然后将球磨所得的混合物放入以聚四氟乙烯为衬底的反应釜中加热保温，反应时间为10～20h，反应温度为100～300℃，得到改性甘蔗渣/硫复合锂硫电池正极材料。本发明所提供的改性甘蔗渣/硫复合材料是一种极具市场前景的锂硫电池正极材料。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料的技术领域，特别涉及一种低成本高吸附性生物质锂硫电池正极材料的制备方法,具体来讲是一种可用于锂硫电池正极的改性甘蔗渣/硫复合材料的制备方法。

背景技术

据公安部统计数据显示，截至2017年底，全国新能源汽车保有量达153万两，预计到2020年，这一数字有望变成500万两。锂离子电池作为新能源汽车主要的动力电源，其以低污染、高能量密度(100～180Wh/kg)以及良好的循环性能等优势赢得了开发商的青睐。但其仍然存在制造成本高和废电池回收困难的缺点；另一方面，据调查显示，目前以锂离子电池为动力电源制备的电动汽车，其续航能力普遍在200～400公里，尚难以满足人们对高续航能力电动汽车的期望。因此，开发出低成本、无污染以及高能量密度的电池体系成为行业热点。以锂为负极，硫为正极所制备的锂硫电池其理论比容量高达1672mAh/g，其理论能量密度高达2600Wh/kg，且硫在地壳中含量丰富，具有价格低廉和完全无污染的特点，是一种非常有前景的电池体系。

然而，锂硫电池也存在一些问题有待解决，例如单质硫及放电产物硫化锂为电子绝缘体；正极材料在放电反应过程中体积膨胀严重(体积膨胀80％)易导致材料粉化；放电中间产物多硫化锂易溶于电解液造成电池容量衰减；溶解在电解液中的多硫化锂在电场及浓差的作用下在正负极来回迁移，并在负极表面形成固态硫化锂薄膜，阻碍了锂负极与电解液的接触，降低了电池的库伦效率。

针对锂硫电池存在的一系列问题，研究人员通过改善硫正极来提高锂硫电池的电化学性能，并取得了一定成果，中国专利CN102969481A公开了一种可用于锂硫电池正极的微孔碳/硫复合材料的制备方法，该方法以蔗糖为碳源、硝化纤维为添加剂，通过高温碳化得到了微孔碳材料，经与硫粉混合制得微孔碳/硫复合材料，该材料具有良好的离子导电率和电子导电率，微孔结构的碳材料可以抑制放电中间产物多硫化锂的溶解，提高了锂硫电池的循环性能，但该方法仍然存在以下缺点：(1)硫元素在放电过程中与电解液接触不良，放电反应动力学缓慢，很难实现大功率放电，(2)制备过程中涉及到的碳化反应温度高达1000℃，掺硫过程的温度高达400℃，增加了电极材料的制备成本；中国专利CN103762345A公开了一种活性炭/硫复合锂硫电池正极材料的制备方法，该方法将硫粉直接与多孔活性炭混合并通过熔融法形成复合材料，该方法具有工艺简单，成本低廉的特点，但活性炭是一种非石墨化的碳材料，其导电性能不佳，以该方法制备的电池不具备良好的倍率性能；中国专利CN106463703A公开了一种可用于锂硫电池正极的硼掺杂碳/硫复合材料的制备方法，该方法以有序介孔氧化硅为模板，糖类为碳源，含硼化合物为硼源，通过水热反应、高温碳化来制备了硼掺杂碳/硫复合材料，该材料具有良好的空隙结构和优异的比表面积，随着硼元素的掺杂，使碳材料中产生具有极性的硼碳键，能有效吸附多硫化锂，且硼原子是一种体积较大的原子，硼掺杂过程中会使碳材料局部产生一定的畸变，也会增加碳材料的吸附能力，但该方法仍然存在一些缺点：(1)制备过程繁琐，(2)制备过程中所涉及到的碳化温度较高，增加了制造成本，(3)制备过程中所用到的模板剂不能重复利用，会造成一定的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可用于锂硫电池正极的改性甘蔗渣/硫复合材料的制备方法，具体来讲是一种以甘蔗渣为原料，通过润胀处理和改性处理，然后与纳米硫粉复合形成锂硫电池正极材料的方法，克服了现有技术中存在的锂硫电池正极材料制备原料较贵(例如石墨烯、二氧化钛、氢氧化镧等)，制备工艺复杂等缺陷。

本发明的技术方案为：