[发明专利]一种基于静电纺丝技术制备自支撑锂硫电池正极材料的方法

说明书

本发明公开了一种基于静电纺丝技术制备自支撑锂硫电池正极材料的方法，涉及锂硫电池电极材料领域。通过将低含量的聚甲基丙烯酸与聚丙烯腈混合形成同轴静电纺丝的壳溶液，高含量的聚甲基丙烯酸与聚丙烯腈混合并加入少量羟基多壁碳纳米管形成同轴静电纺丝的芯溶液。使用同轴静电纺丝技术，得到无纺布薄膜，对其进行预氧化和碳化处理，得到了自支撑的外壳多孔，内芯为多通道的碳纤维结构。所得材料进行载硫，得到自支撑的锂硫电池正极材料。这种自支撑体系无需像传统制浆方法去制备电极材料，可直接作为电极材料，有效地改善了锂硫电池中地穿梭效应，提高了锂硫电池地循环寿命和活性材料地利用率，从而整体上提高了其电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂硫电池电极材料领域，具体为一种基于静电纺丝技术制备自支撑锂硫电池正极材料的方法。

背景技术

随着当今社会发展，石油燃料资源日益紧缺，需要寻找清洁、高效的代替能源。其中风能、水能、太阳能有着许许多多的问题，如受地区影响、能源转化率低下等。而在替代能源中锂硫电池理论比容量达到1672 mAh/g，是现有锂离子电池比容量的数倍，这使得锂硫电池的体积与其他锂离子电池相比更加的轻便。硫具有储量丰富、成本低廉，环境污染较低等优点，因此锂硫电池已经成为最具研究价值的储能体系之一。然而锂硫电池也有许多技术难题需要解决，如硫单质的导电性问题，锂硫电池在充放电过程中的体积膨胀，以及多硫化物在正负极之间的穿梭问题。现有的解决方式是介孔微孔碳材料与单质硫元素混合制得正极材料，但是硫单质与碳材料机械混合的材料无法直接使用，需要额外的添加粘合剂与导电剂，导致制作成本和工艺繁杂。

静电纺丝技术制备的碳纳米纤维应用在锂硫电池上具有：极片可自支撑不需要使用粘合剂和导电剂，产物结构易调控，能有效抑制硫膨胀并吸附多硫化物等诸多优点。

关于锂硫电池正极材料现有技术有所公开，CN109244405A公开了一种制备聚丙烯腈与二氧化硅的混合溶液制备锂硫电池正极材料的方法，但是该方法后期需要氢氟酸将二氧化硅刻蚀，该技术危险性较大，副产物多。CN110438798A公开了一种将聚甲基丙烯酸甲酯，聚丙烯腈配置为混合溶液使用电纺丝技术制备锂硫电池正极材料该方法所制备的电纺丝机械强度不足，无法有效抑制硫在充放电时的体积膨胀问题。

基于上述问题，需要改进或者研发新的采用静电纺丝技术制备自支撑锂硫电池正极材料的方法。

发明内容

本发明为了解决现有锂硫电池正极材料的制备需要加粘合剂和导电剂导致成本上升，硫单质的膨胀以及导电性差的问题，提供了一种基于静电纺丝技术制备自支撑锂硫电池正极材料的方法。

本发明是以锂硫电池正极材料的芯为多通道介孔碳，并加入碳纳米管提高载硫量与电子传输通道，而且外壳为介孔碳增加整体机械强度，抑制硫的体积膨胀问题。本发明具体是通过如下技术方案来实现的：一种基于静电纺丝技术制备自支撑锂硫电池正极材料的方法，包括如下步骤：

（1）N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂加入一定质量比的聚丙烯腈与聚甲基丙烯酸甲酯，搅拌过夜得到壳溶液；

（2）N,N-二甲基甲酰胺作为溶剂加入一定质量比的聚丙烯腈与聚甲基丙烯酸甲酯，搅拌均匀后加入碳纳米管，搅拌过夜得到芯溶液；

（3）将所得到的壳溶液及芯溶液进行同轴静电纺丝得到无纺布薄膜；

（4）将得到的无纺布薄膜进行预氧化处理和高温碳化处理，得到中芯多通道，外壳多孔的碳纤维材料；

（5）配置硫的二硫化碳硫溶液，将得到的碳纤维材料浸入溶液中一段时间后取出；随后放入反应釜中热处理，得到了自支撑锂硫电池正极材料。