[发明专利]一种碳纳米棒复合材料的制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳纳米棒复合材料的制备方法，包括：取尿素、CoCl₂·6H₂O溶于去离子水中，充分搅拌后将所得溶液进行水热反应，将所得产物进行过滤、烘干得到碱式碳酸钴纳米棒模板；将石油沥青和模板混合后进行两步煅烧、酸洗、过滤、烘干，得到Co‑HPCN。本发明提供了一种正极材料的制备方法，包括：将Co‑HPCN与硫混合，通过液相渗透‑熔融扩散策略合成Co‑HPCN/S。本发明制备得到的Co‑HPCN具有分级多孔结构以及中空囊泡结构，且钴原子簇高度分散在碳基底中。采用本发明制备得到的Co‑HPCN/S正极材料构筑的锂硫电池表现出高的比容量和优异的循环稳定性。本发明还提供了一种正极电极片和锂硫电池。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，尤其涉及一种碳纳米棒复合材料的制备方法和应用，具体为一种金属钴嵌入的石油沥青基多孔多囊泡碳纳米棒的制备方法和在锂硫电池正极材料中的应用。

背景技术

随着经济的飞速发展以及环境污染的日益加剧，人们对于清洁能源的需求日益旺盛。为了能够实现对能源的连续高效存储和转化，具有优异储能表现的电化学储能器件得到了人们的广泛关注和研究。锂硫电池由于理论比容量高以及正极材料硫储量丰富、成本低等优点，被认为是下一代低成本、高性能储能器件的理想选择。

受电极材料本身性质的影响，锂硫电池技术发展面临巨大的挑战：单质硫及其放电产物的电子、离子导电性差，使其难以达到理论容量，且可逆性也受到影响；硫和硫化锂的密度分别为2.03g/cm³和1.66g/cm³，在放电过程中伴随高达80％的体积膨胀，严重破坏电极结构，缩短电池使用寿命；单质硫还原生成Li₂S的过程是一个多相多步反应的过程，中间产物多硫化锂易溶于有机电解液发生穿梭效应，导致正负极活性物质损失，容量快速衰退。正极硫自身性质缺陷是锂硫电池主要问题的“始作俑者”，因而通过正极材料的改性来解决锂硫电池的上述问题是提高电池性能的主要途径。

碳材料是最常用的一种硫宿主材料，其优异的导电性以及发达的孔隙结构有利于提高正极导电性以及容纳体积膨胀。特别地，具有中空结构的多孔碳，如中空碳球、中空碳纳米纤维和中空碳纳米棒等，可以提供更充足的空间来封装硫以及容纳放电过程造成的体积膨胀，因而在锂硫电池正极中具有很好的应用前景。然而，由于极性差异，中空碳与极性多硫化锂之间仅存在较弱的物理相互作用，无法有效抑制多硫化锂从正极逃逸。另外，多硫化锂转化为固态硫化锂的反应速率较慢，导致多硫化锂在正极侧浓度过高，加剧穿梭效应。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳纳米棒复合材料的制备方法和应用，将其制备成锂硫电池的正极材料能够较好地提升锂硫电池的电化学性能。

本发明提供了一种碳纳米棒复合材料的制备方法，包括：

将尿素和CoCl₂·6H₂O溶于水中进行水热反应，得到碱式碳酸钴纳米棒模板；

将石油沥青和所述碱式碳酸钴纳米棒模板混合后煅烧，得到碳纳米棒复合材料。

优选的，所述尿素、CoCl₂·6H₂O和水的用量比例为(150～200)mg：(280～320)mg：(60～100)mL。

优选的，所述水热反应的温度为110～130℃；时间为4～8h。

优选的，所述碱式碳酸钴纳米棒模板和石油沥青的质量比为(1～3)：1。

优选的，所述煅烧的方法优选包括：

依次进行一次煅烧和二次煅烧；

所述一次煅烧的温度为300～400℃；

所述二次煅烧的温度为850～950℃。

优选的，所述煅烧后还包括：