一种基于细菌纤维素制备锂硫电池正极材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于细菌纤维素制备锂硫电池正极材料的方法，首先。制备锡离子溶液，将BC气凝胶和锡离子溶液按照质量比为1:1放入反应釜中制备得到BC‑SnO

A method of preparing cathode materials for lithium sulfur battery based on bacterial cellulose

【技术实现步骤摘要】
一种基于细菌纤维素制备锂硫电池正极材料的方法
本专利技术涉及锂硫电池正极材料的制备
以及细菌纤维素制备与应用领域。
技术介绍
近年来在所有可行的储能装置中，锂离子电池因其高效清洁的特点一直占据主导地位。然而，锂离子电池的成本和能量密度仍无法满足市场对电动汽车和供电网路的储能要求，人们需要更高能量密度的储能设备的出现。锂硫电池的理论容量可达到1675Amh/g，远远超出现阶段使用的锂离子电池，被广泛认为是下一代储能装置的候选者之一。而锂硫电池未能大规模投入实际应用中主要源于硫的低面积负载和硫正极材料的几个明显缺陷，例如，硫的大体积膨胀导致电池稳定性差，其固有的绝缘性也造成正极的导电率非常低；多硫化物的穿梭效应以及绝缘不溶的二硫化锂和硫化锂在阴极材料上的沉积，都阻碍了电化学反应，导致电池呈现出低库仑效率和快速的容量衰减。目前，国内外对于锂硫电池硫正极材料缺陷改进的研究方法主要包括以下几个方面：引入碳基物质，增加硫的导电性同时抑制硫的膨胀现象；利用极性金属氧化物与多硫化物形成高强度化学键，以减少多硫化物的穿梭效应；加入导电聚合物添加剂，如聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩等，由于它们特殊的形态和导电性，可以改善锂硫电池的电化学性能。其中，三维碳纳米材料，如碳气凝胶，碳纳米管和石墨烯泡沫，具有互连的网络结构，丰富的孔结构，高导电性，良好的化学稳定性以及优异的环境相容性.，从而引起了人们的广泛关注。但目前主流制备3D碳纳米材料的方法不可避免地存在着一些缺点，例如有毒且昂贵的前体材料，复杂的技术设备要求，以及生产率低等。相较于这些方法，用细菌纤维素生产制造高性能3D碳基材料可以在一定程度上克服上述的几种问题。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提供一种新型制备锂硫电池正极材料的方法。选用细菌纤维素为基底，在其表面沉积一层SnO2纳米粒子，再通过将BC气凝胶碳化，合成出导电性能良好的三维BC-SnO2主体材料，使其可以负载大量的硫，用以制备锂硫电池硫正极BC-SnO2@S。此方法制备的电极材料可以增加电池的容量密度，更大程度地阻碍多硫化物发生穿梭效应，并缓解电池在长时间工作状态下硫的膨胀现象带来的安全隐患。为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于细菌纤维素制备锂硫电池正极材料的方法，包括以下步骤：步骤一、制备锡离子溶液：将一定量的五水四氯化锡溶于适量的乙醇水溶液中，搅拌，得到摩尔浓度为1～10mmol/L的锡离子溶液；步骤二、制备细菌纤维素-二氧化锡(BC-SnO2)主体材料：将细菌纤维素气凝胶和步骤一制备得到的锡离子溶液按照质量比为1:1放入反应釜中，搅拌30min后，将容器密封在钢制高压釜中，并在200℃的电炉中保温8h；自然冷却后，通过真空过滤收集沉淀物并用纯乙醇洗涤3-5次，干燥，所得即为BC-SnO2主体材料；步骤三、制备细菌纤维素-二氧化锡(BC-SnO2)三维材料：将步骤二制得的BC-SnO2主体材料在氮气气氛下烧结得到BC-SnO2三维材料，烧结的工艺条件为煅烧温度为450℃～650℃，保温时间为1h～2h；步骤四、制备细菌纤维素-二氧化锡-硫(BC-SnO2@S)活性材料：将步骤三制得的BC-SnO2三维材料浸入适量的硫/二硫化碳溶液中，保持密封3h从溶液中取出，在空气中静置2h以完全挥发二硫化碳，然后放置于密封的高压釜中，在155℃下保温3h；冷却至室温后，所得即为柔性的BC-SnO2@S活性材料；步骤五、将步骤四制得的BC-SnO2@S活性材料与导电剂和粘结剂按照质量比为80:10:10依次溶解到足够量的N-甲基吡咯烷酮中，持续搅拌获得均匀的悬浮液，以该悬浮液为浆料涂布到铝箔上，干燥后即为锂硫电池正极材料。进一步讲，本专利技术制备方法中，优选的，步骤一制得的锡离子溶液的浓度为7.5mmol/L。步骤三中，煅烧温度为550℃，保温时间为2h时。利用本专利技术制备方法制备得到的锂硫电池正极材料用于制备锂硫电池，将锂硫电池正极材料切裁成直径为12mm的圆片，用作锂硫电池正极材料，选择金属锂作为负极，在手套箱中装配成纽扣电池。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的创新之处体现在与石墨烯/碳纳米管不同，细菌纤维素的价格经济低廉，且其结构中的羟基可以更均匀地结合SnO2纳米粒子，形成结构稳定，分布均匀的BC-SnO2硫正极主体材料。除此之外，BC的多孔纤维结构还可以在物理层面包封住多硫化物抑制其溶解；SnO2纳米粒子的存在提供了丰富的电化学活性位点，以便快速扩散和反应，还可以有效地防止封装的电活性纳米粒子聚集，通过氧化反应形成强化学键禁锢多硫化物。与未添加SnO2纳米粒子的电极材料相比较，在0.1A/g的电流密度下，电池的首次放电比容量由137.28mAh/g提高至409.30mAh/g，展现了很好的电化学性能提升能力。附图说明图1为本专利技术实施例2得到的BC-SnO2三维材料的5000倍扫描电镜图片；图2为本专利技术实施例2得到的BC-SnO2三维材料的50000倍扫描电镜图片；图3为本专利技术实施例2得到的BC-SnO2材料的80000倍扫描电镜图片；图4为本专利技术实施例3得到的BC-SnO2材料的50000倍扫描电镜图片；图5为本专利技术实施例3得到的BC-SnO2材料的80000倍扫描电镜图片。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的说明，但下述实施例绝非对本专利技术有任何限制。本专利技术提出的基于细菌纤维素制备锂硫电池正极材料的方法，主要是将细菌纤维素(BC)与二氧化锡(SnO2)结合，形成三维复合材料，作为硫的载体用于锂硫电池的正极。制备方法包括：制备浓度为1mmol～10mmol的锡离子溶液；将细菌纤维素气凝胶和锡离子溶液按照质量比为1:1放入反应釜中，搅拌30min后，将容器密封在钢制高压釜中，并在200℃的电炉中保温8h；自然冷却后，通过真空过滤收集沉淀物并用纯乙醇洗涤3-5次，干燥，制备得到BC-SnO2主体材料；将BC-SnO2主体材料在氮气气氛下烧结得到BC-SnO2三维材料；将该BC-SnO2三维材料浸入适量的硫/二硫化碳溶液中，保持密封3h从溶液中取出，在空气中静置2h以完全挥发二硫化碳，然后放置于密封的高压釜中，在155℃下保温3h；冷却至室温后，所得即为柔性且无粘合剂的BC-SnO2@S活性材料；将该BC-SnO2@S正极材料与导电剂和粘结剂按照质量比为80:10:10依次溶解到N-甲基吡咯烷酮中，持续搅拌获得均匀的悬浮液，以该悬浮液为浆料涂布到铝箔上，干燥后即为锂硫电池正极材料。本专利技术制备构成中，在细菌纤维素的表面均匀地结合SnO2纳米粒子，细菌纤维素气凝胶的天然交织网络结构与SnO2纳米粒子的协同作用能够更好地增加硫的负载量从而提高电池的体积比容量，多孔结构也有效地缓解了电池工作时发生的硫膨胀现象，同时抑制了多硫化物的穿梭效应。此三维复合材料在多方面改善了锂硫电池正极材料的缺陷，有效地提高电池的理论比容量，形成稳定的循本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于细菌纤维素制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一、制备锡离子溶液：将一定量的五水四氯化锡溶于适量的乙醇水溶液中，搅拌，得到摩尔浓度为1～10mmol/L的锡离子溶液；/n步骤二、制备主体材料：将细菌纤维素气凝胶和步骤一制备得到的锡离子溶液按照质量比为1:1放入反应釜中，搅拌30min后，将容器密封在钢制高压釜中，并在200℃的电炉中保温8h；自然冷却后，通过真空过滤收集沉淀物并用纯乙醇洗涤3-5次，干燥，所得即为细菌纤维素-二氧化锡主体材料；/n步骤三、制备细菌纤维素-二氧化锡三维材料：将步骤二制得的细菌纤维素-二氧化锡主体材料在氮气气氛下烧结得到细菌纤维素-二氧化锡三维材料，烧结的工艺条件为煅烧温度为450℃～650℃，保温时间为1h～2h；/n步骤四、制备细菌纤维素-二氧化锡-硫活性材料：将步骤三制得的细菌纤维素-二氧化锡三维材料浸入适量的硫/二硫化碳溶液中，保持密封3h从溶液中取出，在空气中静置2h以完全挥发二硫化碳，然后放置于密封的高压釜中，在155℃下保温3h；冷却至室温后，所得即为柔性的细菌纤维素-二氧化锡-硫活性材料；/n步骤五、将步骤四制得的细菌纤维素-二氧化锡-硫活性材料与导电剂和粘结剂按照质量比为8:1:1依次溶解到适量的N-甲基吡咯烷酮中，持续搅拌获得均匀的悬浮液，以该悬浮液为浆料涂布到铝箔上，干燥后即为锂硫电池正极材料。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于细菌纤维素制备锂硫电池正极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、制备锡离子溶液：将一定量的五水四氯化锡溶于适量的乙醇水溶液中，搅拌，得到摩尔浓度为1～10mmol/L的锡离子溶液；
步骤二、制备主体材料：将细菌纤维素气凝胶和步骤一制备得到的锡离子溶液按照质量比为1:1放入反应釜中，搅拌30min后，将容器密封在钢制高压釜中，并在200℃的电炉中保温8h；自然冷却后，通过真空过滤收集沉淀物并用纯乙醇洗涤3-5次，干燥，所得即为细菌纤维素-二氧化锡主体材料；
步骤三、制备细菌纤维素-二氧化锡三维材料：将步骤二制得的细菌纤维素-二氧化锡主体材料在氮气气氛下烧结得到细菌纤维素-二氧化锡三维材料，烧结的工艺条件为煅烧温度为450℃～650℃，保温时间为1h～2h；
步骤四、制备细菌纤维素-二氧化锡-硫活性材料：将步骤三制得的细菌纤维素-二氧化锡三维材料浸入适量的硫/二硫化碳溶液中，保持密封3h从溶液中取出，在空气中静...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭瑞松，赵信琦，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12