一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，涉及锂硫电池电极材料领域。该方法通过将低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮混合，并加入硫酸锂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，对无纺布薄膜进行预氧化和碳化处理，在碳化过程中低分子量的聚乙烯吡咯烷酮分别在外壳和芯形成孔洞和通道，得到了自支撑的外壳多孔，内芯为多通道的碳纤维结构，提供了电子、离子传输通道；与此同时硫酸锂在高温下与碳化的聚乙烯吡咯烷酮原位反应生成硫化锂。该方法解决了硫体积膨胀的问题，而且不需要加粘合剂和导电剂，无需载硫，无毒无害，成本低廉，环境友好。环境友好。环境友好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法


[0001]本专利技术涉及锂硫电池电极材料领域，具体为一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法。

技术介绍

[0002]清洁、高效的新能源，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。而锂硫电池理论比容量高达1672 mAh/g，使得锂硫电池的体积与其他锂离子电池相比更加的轻便，而且硫具有储量丰富、成本低廉，环境污染较低等优点。然而锂硫电池也有许多问题需要解决，如硫单质的导电性很差，充放电过程中的硫的体积膨胀及多硫化物的穿梭问题。利用静电纺丝技术制备的碳纳米纤维应用锂硫电池具有结构设计性强、易于掺杂改性，并且可自支撑不需要使用粘合剂和导电剂。
[0003]碳/硫化锂复合材料的制备是先制备出硫化锂，然后再与多孔碳材料复合。此方法操作过程复杂，并且很难将碳与硫化锂均匀复合，同时硫化锂材料的制备对生产设备及环境要求是非常的高。根据现有硫化锂材料制备的专利报道，在生产制备硫化锂的过程中都会产生或使用硫化氢气体，一方面会对环境造成污染，另一方面也会对人身安全造成威胁。所以亟待改进现有的碳/硫化锂复合材料的制备方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有锂硫电池正极材料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，提供了一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法。
[0005]本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，包括如下步骤：（1）水和乙醇作为溶剂加入一定质量比的低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90，搅拌过夜得到壳溶液，所述低分子量的聚乙烯吡咯烷酮采用K16~K18或K30中的任意一种或多种；低分子量的聚乙烯吡咯烷酮通常指的是平均分子量为8000~58000，高分子量的聚乙烯吡咯烷酮通常指的是平均分子量可达1300000；（2）水和乙醇作为溶剂加入一定质量比的低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90，搅拌均匀后加入硫酸锂，搅拌过夜得到芯溶液，所述低分子量的聚乙烯吡咯烷酮采用K16~K18或K30中的任意一种或多种；（3）将所得到的壳溶液与芯溶液进行同轴电纺得到无纺布薄膜；（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。
[0006]综上，该方法通过将低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮混合，并加入硫酸锂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，对无纺布薄膜进行预氧化和碳化处理，在碳化过程中低分子量的聚乙烯吡咯烷酮分别在外
壳和芯形成孔洞和通道，得到了自支撑的外壳多孔，内芯为多通道的碳纤维结构，提供了电子、离子传输通道；与此同时硫酸锂在高温下与碳化的聚乙烯吡咯烷酮原位反应生成硫化锂。
[0007]优选的，步骤（1）中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90质量比为1：5～4。
[0008]优选的，步骤（2）中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90质量比1：4～2。
[0009]优选的，步骤（1）的壳溶液中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90的总质量浓度为12%～14%。
[0010]优选的，步骤（2）的芯溶液中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90的总质量浓度为10%～20%。
[0011]优选的，步骤（1）和步骤（2）中水与乙醇的质量比为1.5～1.2：1。
[0012]优选的，步骤（2）中加入的硫酸锂质量为0.6g～1g。
[0013]优选的，步骤（3）中，同轴静电纺丝参数如下：电压为12～18kV，滚筒收集器的转速为400～600r/min。
[0014]优选的，步骤（4）中，预氧化过程在马弗炉空气气氛下进行，温度为240～270℃，升温速率为1～3℃/min，保温时间为2～3h。
[0015]优选的，步骤（4）中，碳化过程在管式炉中氩气气氛下进行，温度为700～900℃，升温速率为2～5℃/min，保温时间1～2h。
[0016]与现有技术相比本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所提供的一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，采用硫酸锂与碳材料进行原位反应制得产物，硫酸锂成本低廉，采用硫酸锂原位反应制得硫化锂，无需载硫，解决了硫体积膨胀的问题，而且不需要加粘合剂和导电剂，方法简单，无毒无害，成本低廉，环境友好。
附图说明
[0017]图1是实施例1制备的碳/硫化锂复合材料的高倍扫描图。
[0018]图2是实施例2制备的碳/硫化锂复合材料的低倍扫描图。
具体实施方式
[0019]以下结合具体实施例和说明书附图来进一步说明本专利技术，但实施例并不对本专利技术做任何形式的限定。除非特别说明，本专利技术所用试剂和材料均为市购。
[0020]一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，包括如下步骤：（1）水和乙醇作为溶剂加入一定质量比的低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90，搅拌过夜得到壳溶液，所述低分子量的聚乙烯吡咯烷酮采用K16~K18或K30中的任意一种或多种；（2）水和乙醇作为溶剂加入一定质量比的低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90，搅拌均匀后加入硫酸锂，搅拌过夜得到芯溶液，所述低分子量的聚乙烯吡咯烷酮采用K16~K18或K30中的任意一种或多种；（3）将所得到的壳溶液与芯溶液进行同轴电纺得到无纺布薄膜；
（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。
[0021]以下实施例中均采用了优选方案：步骤（1）中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90质量比为1：5～4，壳溶液中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90的总质量浓度为12%～14%；步骤（2）中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90质量比1：4～2，芯溶液中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90的总质量浓度为10%～20%，步骤（2）中加入的硫酸锂质量为0.6g～1g；步骤（1）和步骤（2）中水与乙醇的质量比为1.5～1.2：1；步骤（3）中，同轴静电纺丝参数如下：电压为12～18kV，滚筒收集器的转速为400～600r/min；步骤（4）中，预氧化过程在马弗炉空气气氛下进行，温度为240～270℃，升温速率为1～3℃/min，保温时间为2～3h；而碳化过程在管式炉中氩气气氛下进行，温度为700～900℃，升温速率为2～5℃/min，保温时间1～2h。以下实施例中：低分子量的聚乙烯吡咯烷酮采用K30。
[0022]实施例1：步骤1：将10g的水与乙醇混合物作为溶剂（水与乙醇质量比为1.5：1）加入1.24g聚乙烯吡咯烷酮K90与0.25 g聚乙烯吡咯烷酮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）水和乙醇作为溶剂加入一定质量比的低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90，搅拌过夜得到壳溶液，所述低分子量的聚乙烯吡咯烷酮采用K16~K18或K30中的任意一种或多种；（2）水和乙醇作为溶剂加入一定质量比的低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90，搅拌均匀后加入硫酸锂，搅拌过夜得到芯溶液，所述低分子量的聚乙烯吡咯烷酮采用K16~K18或K30中的任意一种或多种；（3）将所得到的壳溶液与芯溶液进行同轴电纺得到无纺布薄膜；（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。2.根据权利要求1所述的一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，其特征在于：步骤（1）中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90质量比为1：5～4。3.根据权利要求1所述的一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，其特征在于：步骤（2）中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡咯烷酮K90质量比1：4～2。4.根据权利要求1所述的一种基于同轴静电纺丝技术制备碳/硫化锂复合材料的方法，其特征在于：步骤（1）的壳溶液中加入低分子量的聚乙烯吡咯烷酮与高分子量的聚乙烯吡...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹海亮，吴玉程，苗艳勤，吕琛山，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：