一种锂硫电池用载体材料制造技术

本发明专利技术属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种锂硫电池用载体材料，包括由碳纳米管相互交织缠绕形成的球形碳骨架和包覆于球形碳骨架的外表面的无定形碳层；球形碳骨架的平均直径为0.1μm‑4μm，无定形碳层的厚度为0.1nm‑10nm；球形碳骨架的孔隙率为20%‑60%。相对于现有技术，本发明专利技术通过灵活的、可控的、简单的制备方法，得到了一种具有丰富的层次孔结构的碳纳米管微米球状复合材料，碳纳米管相互缠绕形成导电性良好的导电网络，其原材料来源广泛且价格低廉。将该碳纳米管微米球和硫复合材料应用到锂硫电池当中时，碳纳米管微米球的引入能在一定程度上解决锂硫电池的问题，多孔结构能够容纳体积膨胀，层次化的碳纳米管微米球还可以降低多硫化物的穿梭效应。

A carrier material for lithium sulfur batteries

The invention belongs to the technical field of lithium sulfur batteries, in particular to a carrier material for lithium sulfur batteries, including a spherical carbon skeleton formed by intertwining carbon nanotubes intertwined and an amorphous carbon layer coated on the outer surface of a spherical carbon skeleton; the average diameter of the spherical carbon skeleton is 0.1 mu m 4 Mu m, and the thickness of the amorphous carbon layer is 0.1nm 10 Nm; the porosity of the spherical carbon skeleton is 20% and 60%. Compared with the existing technology, the invention has obtained a kind of carbon nanotube Microsphere Composite with rich hierarchical structure through flexible, controllable and simple preparation methods. The carbon nanotubes are intertwined to form a conductive conductive network with good electrical conductivity, and its raw materials are wide and low in price. When the carbon nanotube microspheres and sulfur composite materials are applied to the lithium sulfur battery, the introduction of carbon nanotube microspheres can solve the problem of lithium sulfur batteries to a certain extent. The porous structure can accommodate volume expansion. The hierarchical carbon nanotube microspheres can also reduce the shuttle effect of multi sulfide.

【技术实现步骤摘要】
一种锂硫电池用载体材料
本专利技术属于锂硫电池
，尤其涉及一种锂硫电池用载体材料。
技术介绍
随着人们对能源消耗的需求的增加，化石能源被大量消耗的同时，也产生了严重的环境污染。越来越多的注意力投入到发现和发展环保的可再生能源上，锂硫电池作为一种可重复使用的能源器件，由于它高的能量密度、较低的价格以及环境友好无污染而受到人们的广泛关注。但现阶段锂硫电池的能量密度和功率密度尚不能满足动力电池和大型储能设备的要求。因此，设计和制备一种具有高的能量密度的电池体系，具有重要的意义。然而锂硫电池的商业化应用还面临了许多的问题。首先硫的导电性极低，用作充放电活性物质是天然的弊端，其次硫在充放电过程中具有约80％左右的体积变化，容易破坏电池的整体结构，更严重的是锂硫电池在充放电过程中所形成的中间产物多硫化物为可溶性，容易穿梭在正负极中降低活性物质的利用率，造成容量快速衰减。有鉴于此，本专利技术旨在提供一种锂硫电池用载体材料，其中的碳纳米管相互缠绕形成具有良好球形度的具有良好导电性的碳骨架，而且在其中形成了大量的孔隙。这些孔隙可以有效缓解锂硫电池在充放电过程中的体积膨胀，同时这些孔隙也为锂离子和电解液的传输提供了有效的路径，缠绕的碳纳米管可以在一定程度上抑制多硫化物的穿梭效应，相互连接的碳纳米管大大提升了电子的迁移速度。因此，所述碳纳米管微米球和硫复合材料应用到锂硫电池当中具有较好的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种锂硫电池用载体材料，其中的碳纳米管相互缠绕形成具有良好球形度的具有良好导电性的碳骨架，而且在其中形成了大量的孔隙。这些孔隙可以有效缓解锂硫电池在充放电过程中的体积膨胀，同时这些孔隙也为锂离子和电解液的传输提供了有效的路径，缠绕的碳纳米管可以在一定程度上抑制多硫化物的穿梭效应，相互连接的碳纳米管大大提升了电子的迁移速度。因此，所述碳纳米管微米球和硫复合材料应用到锂硫电池当中具有较好的电化学性能。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种锂硫电池用载体材料，包括由碳纳米管相互交织缠绕形成的球形碳骨架和包覆于所述球形碳骨架的外表面的无定形碳层；所述球形碳骨架的平均直径为0.1μm-4μm，所述无定形碳层的厚度为0.1nm-10nm；所述球形碳骨架的孔隙率为20％-60％；所述载体材料的制备方法至少包括如下步骤：第一步，将高分子化合物配制成浓度为0.001g/mL～0.005g/mL的水溶液，向该水溶液中加入碳纳米管，加热搅拌均匀，形成悬浊液；第二步，将表面活性剂加入到有机溶剂中，搅拌均匀，得到表面活性剂溶液；第三步，将第一步的悬浊液加入到表面活性剂溶液中，边加热边搅拌，蒸干，得到微米球前驱体；第四步，对第三步所得的微米球前驱体依次进行氧化处理、碳化处理，得到所述锂硫电池用载体材料；所述有机溶剂为与水不互溶的溶剂。相对于现有技术，本专利技术通过灵活的、可控的、简单的制备方法，得到了一种具有丰富的层次孔结构的碳纳米管微米球状复合材料，碳纳米管相互缠绕形成导电性良好的导电网络，可以作为锂硫电池正极载体，其原材料来源广泛且价格低廉。将该碳纳米管微米球和硫复合材料应用到锂硫电池当中时，碳纳米管微米球的引入能在一定程度上解决锂硫电池的问题，多孔结构能够容纳体积膨胀，层次化的碳纳米管微米球还可以降低多硫化物的穿梭效应。此外，由于碳纳米管微米球具有良好的导电性，从而增强了锂离子和电子的传输速率，其制备工艺成本低，且简单易行，采用该碳纳米管微米球和硫复合材料得到的锂硫电池具有较好的容量保持率，具有较好的应用前景。与现有技术相比，本专利技术利用巧妙的方法将碳纳米管缠绕在一起，制备了碳纳米管微米球材料。该制备方法是利用有机溶剂和水的不可互溶性，利用与水不互溶的溶剂将溶解有碳纳米管和高分子化合物的小水滴包裹起来，然后利用加热搅拌将水分蒸干，得到碳纳米管缠绕在一起的碳纳米管微米球前驱体，在后续氧化和碳化的过程中，高分子化合物裂解形成少量无定型碳。碳纳米管相互缠绕形成具有良好球形度、良好导电性的碳骨架，而且在此期间形成了大量的孔隙，这些孔隙可以有效缓解锂硫电池在充放电过程中的体积膨胀，也可以为锂离子和电解液的传输提供有效的路径，缠绕的碳纳米管可以在一定程度上抑制多硫化物的穿梭效应，相互连接的碳纳米管大大提升了电子的迁移速度。因此，将本专利技术的碳纳米管微米球和硫复合材料应用到锂硫电池当中具有较好的电化学性能。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，所述有机溶剂为正十二烷、辛烷、环己酮、乙酸乙酯和石油醚中的至少一种。这几种溶剂与水不互溶，或者相容性很差，便于将溶解有碳纳米管和高分子化合物的小水滴包裹起来。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，所述高分子化合物为聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种，这些高分子化合物可溶于水并且在烧结之后能够形成无定形碳包覆在碳骨架的表面。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，所述碳纳米管和所述高分子化合物的质量比为(0.1-10)：1。高分子的量比较少，从而仅在碳骨架的表面形成少量的、薄薄的一层无定形碳。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，所述表面活性剂为失水山梨醇油酸酯、烷基酚聚氧乙烯醚、月桂醇聚氧乙烯醚、椰子油酸和月桂酸中的至少一种。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，第二步中，表面活性剂与有机溶剂的体积比为1:(200-300)；悬浊液和表面活性剂溶液的体积比为1：(1-10)。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，第一步和第三步的加热温度为70-100℃，搅拌的持续时间为1.5h-3h。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，所述氧化处理在空气中进行，先以2-10℃/min的升温速度升温至150-300℃，然后保温1-3h。低温氧化处理可以实现结构的稳定化。作为本专利技术锂硫电池用载体材料的一种改进，所述碳化处理在氩气气氛或氮气气氛下进行，先以2-10℃/min的升温速度升温至500℃-700℃，然后在该温度下保温1-3h，碳化处理可以使得高分子化合物变成无定形碳。本专利技术的另一个目的在于提供一种载体材料用作锂硫电池的正极活性物质载体或负极活性物质载体的用途。该载体既可以负载正极物质，如锂单质、锂化合物等，也可以负载负极物质，如硫、硫化合物、硫复合物等。附图说明图1为本专利技术实施例1的载体材料的扫描电镜图之一。图2为本专利技术实施例1的载体材料的扫描电镜图之二。具体实施方式以下以具体实施例来说明本专利技术的技术方案，但本专利技术的保护范围不限于此。实施例1本实施例提供了一种锂硫电池用载体材料，包括由碳纳米管相互交织缠绕形成的球形碳骨架和包覆于球形碳骨架的外表面的无定形碳层；球形碳骨架的平均直径为0.1μm-4μm，无定形碳层的厚度为0.1nm-10nm；球形碳骨架的孔隙率为40％；载体材料的制备方法至少包括如下步骤：第一步，将0.2g的分子量为10000-40000的聚乙烯醇加入到80mL水中，90℃加热搅拌两个小时至聚乙烯醇全部溶解，得到聚乙烯醇澄清溶液；将2g质量分数是5％的碳纳米管浆料加入所述聚乙烯醇溶液中在70℃下搅拌一小时后，超声两个小时，得到黑色均匀悬浊液；第二步，将1mL表面活性剂失水山梨醇油酸酯加入到240mL有机溶剂正十二烷中，搅拌均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂硫电池用载体材料，其特征在于：包括由碳纳米管相互交织缠绕形成的球形碳骨架和包覆于所述球形碳骨架的外表面的无定形碳层；所述球形碳骨架的平均直径为0.1μm‑4μm，所述无定形碳层的厚度为0.1nm‑10nm；所述球形碳骨架的孔隙率为20%‑60%；所述载体材料的制备方法至少包括如下步骤：第一步，将高分子化合物配制成浓度为0.001g/mL～0.005 g/mL的水溶液，向该水溶液中加入碳纳米管，加热搅拌均匀，形成悬浊液；第二步，将表面活性剂加入到有机溶剂中，搅拌均匀，得到表面活性剂溶液；第三步，将第一步的悬浊液加入到表面活性剂溶液中，边加热边搅拌，蒸干，得到微米球前驱体；第四步，对第三步所得的微米球前驱体依次进行氧化处理、碳化处理，得到所述锂硫电池用载体材料；所述有机溶剂为与水不互溶的溶剂。

【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池用载体材料，其特征在于：包括由碳纳米管相互交织缠绕形成的球形碳骨架和包覆于所述球形碳骨架的外表面的无定形碳层；所述球形碳骨架的平均直径为0.1μm-4μm，所述无定形碳层的厚度为0.1nm-10nm；所述球形碳骨架的孔隙率为20%-60%；所述载体材料的制备方法至少包括如下步骤：第一步，将高分子化合物配制成浓度为0.001g/mL～0.005g/mL的水溶液，向该水溶液中加入碳纳米管，加热搅拌均匀，形成悬浊液；第二步，将表面活性剂加入到有机溶剂中，搅拌均匀，得到表面活性剂溶液；第三步，将第一步的悬浊液加入到表面活性剂溶液中，边加热边搅拌，蒸干，得到微米球前驱体；第四步，对第三步所得的微米球前驱体依次进行氧化处理、碳化处理，得到所述锂硫电池用载体材料；所述有机溶剂为与水不互溶的溶剂。2.根据权利要求1所述的锂硫电池用载体材料，其特征在于：所述有机溶剂为正十二烷、辛烷、环己酮、乙酸乙酯和石油醚中的至少一种。3.根据权利要求1所述的锂硫电池用载体材料，其特征在于：所述高分子化合物为聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。4.根据权利要求1所述的锂硫电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李清，韩文杰，秦显营，李宝华，
申请(专利权)人：深圳市清新电源研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44