【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种锂硫电池木质素基载硫基材及其制备方法与应用，属于废弃生物质高附加值利用和碳材料载体制备。
技术介绍
1、随着社会的不断发展，人们对能源的消耗日益增长，传统能源越发紧缺，人类急需一种能够代替传统能源的新型能源。同时随着工业规模的不断扩大，环境污染越发严重，治理环境也成为人们当下急需解决的主要问题。锂硫电池因其理论能量密度大，理论能量密度为2600wh·kg-1，是商业化的锂离子电池的3-5倍左右，具有低成本和高比容量的优点，有希望成为下一代高能量密度可充电电池的替代品。作为一种新型的储能器件，其发展为解决当下能源短缺具有重大的意义。但同时锂硫电池也存在许多技术问题，主要有三个方面，首先硫单质及多硫化物的绝缘性造成其作为正极材料导电性不佳；其次硫放电过程中的中间产物多硫化物，易在电极之间发生“穿梭效应”，造成活性物质利用率下降；再者硫发生化学反应后自身体积会发生膨胀，放电过程中体积膨胀率大约为80％，对电极材料原有结构造成破坏。这些都会导致锂硫电池的容量降低、倍率性能和循环寿命不佳。
2、为了解决这些问题，目前在正极方面的研究主要包括以下几个方面：碳材料/硫复合材料、过渡金属化合物/硫复合材料、导电聚合物/硫复合材料。多孔碳因具有高孔隙率、高电导率、理想的离子传输通道，和物理吸附能力近年来成为锂硫电池正极材料主要发展方向之一。
3、但非极性碳材料和极性多硫化物之间的物理相互作用较弱，在循环过程中不能有效锚固和快速转化多硫化物，导致多硫化物溶解在电解质中。同时高孔隙率通常伴随着不太有效的长程导
4、单一组分的材料往往很难满足实际的应用需求，复合材料因多种组分的协同作用而弥补了单一材料的不足，同时具有更好的性能。碳纳米管具有更好的长程导电性，材料整体导电能力优于多孔碳材料，可以形成长距离连续的导电网络。同时碳纳米管由于自身的高机械强度，可以有效减少正极材料因硫的体积膨胀而造成的结构崩塌，作为添加剂添加至多孔碳中能够取得良好的效果。
5、木质素是自然界唯一一种可再生的具有芳香结构的生物质资源，其储量丰富，主要来源于制浆造纸行业造纸过程中产生的造纸黑液，对生态环境具有较大的污染，而木质素因其独特的结构特征和丰富的储量在用于制备低成本效益和环境友好的储能多孔碳材料方面具有巨大的发展潜能。以木质素为原料制备高性能储能器件电极材料为解决当下能源危机、环境污染提供了方向，实现了废弃生物质高值转化。木质素分子中含有酮基、羧基、酚羟基、甲氧基、醛基、醇羟基等活性基团，利用这些基团可以对木质素进行硝化、醚化、羧甲基化、磺酸化、季铵化改性、胺化改性等改性处理，扩展其应用范围。
6、因此，开发高性能的正极材料对于锂硫电池具有重要的意义。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种锂硫电池木质素基载硫基材及其制备方法与应用。本专利技术通过将高含氮量的胺类化合物经曼尼希反应接枝到木质素分子中，以提高木质素分子中氮元素的含量，提高在多孔碳中的氮含量和均匀分布；同时与cnts、过渡金属盐复合，经过高温活化处理得到分级多孔的过渡金属/氮共掺杂木质素碳-碳纳米管复合材料，所得复合材料应用于锂硫电池，使电池的循环性能和倍率性能均有显著的提高。
2、本专利技术具体通过下述方案实现：
3、一种锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，包括步骤如下：
4、(1)将木质素溶解于碱溶液中，加热至反应温度；之后在搅拌条件下继续加入溶解有胺类化合物的甲醛水溶液，进行反应；反应完成后，调节体系ph为5～7，经过滤、洗涤、冷冻干燥，得到胺化木质素；
5、(2)向胺化木质素水分散液中加入过渡金属盐水溶液和碳纳米管水分散液，搅拌后，蒸发除去溶剂，经冷冻干燥，得到胺化木质素/cnts/过渡金属盐复合材料；
6、(3)将步骤(2)所得胺化木质素/cnts/过渡金属盐复合材料进行高温煅烧处理，再经酸洗、去离子水洗涤、干燥，得到过渡金属/氮共掺杂木质素碳-碳纳米管复合材料，即为锂硫电池木质素基载硫基材。
7、根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述木质素为工业木质素，包括松木碱木质素、阔叶木碱木质素、麦草碱木质素、竹浆碱木质素、芦苇碱木质素、木浆碱木质素、棉浆碱木质素、玉米芯酶解木质素、木质素磺酸钠和蔗渣碱木质素中的至少一种，普通市售产品。
8、根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述碱溶液的ph为10～12，更优选为11；所述碱为naoh或koh；所述碱溶液的体积与木质素的质量之比为10～30ml:1g。
9、根据本专利技术优选的，步骤(1)所述胺类化合物为三聚氰胺、双氰胺、尿素或乙二胺；所述甲醛水溶液的体积与胺类化合物的质量之比为10～20ml:1g；所述溶解有胺类化合物的甲醛水溶液按照下述方法制备得到：将胺类化合物在80～90℃下加入甲醛水溶液中，搅拌5～15min，即得。
10、根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述木质素、胺类化合物和甲醛的质量比为1:0.5～1.5:0.5～1.5。
11、根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述反应温度为75～95℃；所述反应的时间为3～6h，进一步优选为4h。
12、根据本专利技术优选的，步骤(1)中，使用0.5～1mol/l的盐酸水溶液调节体系ph至5～7。
13、根据本专利技术优选的，步骤(1)中所述洗涤为使用去离子水洗涤至滤液为中性。
14、根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述胺化木质素水分散液的浓度为10～30mg/ml。
15、根据本专利技术优选的，步骤(2)中所述过渡金属盐为fecl3、nicl2·6h2o、cocl2·6h2o中的至少一种，所述过渡金属盐水溶液的浓度为0.1～0.3g/ml；所述胺化木质素与过渡金属盐的质量比为1:0.5～2。
16、根据本专利技术优选的，步骤本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述碱溶液的pH为10～12，优选为11；所述碱为NaOH或KOH；所述碱溶液的体积与木质素的质量之比为10～30mL:1g。
3.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述胺类化合物为三聚氰胺、双氰胺、尿素或乙二胺；所述甲醛水溶液的体积与胺类化合物的质量之比为10～20mL:1g；所述溶解有胺类化合物的甲醛水溶液按照下述方法制备得到：将胺类化合物在80～90℃下加入甲醛水溶液中，搅拌5～15min，即得。
4.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述木质素、胺类化合物和甲醛的质量比为1:0.5～1.5:0.5～1.5。
5.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述反应温度为75～95℃；所述反应的时间为3～6h，优选为4h；步骤(1)中，使用0.5～1mol/L的盐酸水溶
6.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述胺化木质素水分散液的浓度为10～30mg/mL；
7.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述碳纳米管水分散液的浓度为1～3mg/mL；所述碳纳米管的质量为胺化木质素质量的5～15％；所述搅拌的时间为10～15h；蒸发溶剂的方式为恒温搅拌蒸发，蒸发温度为70～90℃。
8.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述高温煅烧处理在氮气气氛下进行，氮气流速为100～300mL/min；
9.一种锂硫电池木质素基载硫基材，其特征在于，采用权利要求1所述制备方法制备得到。
10.权利要求9所述锂硫电池木质素基载硫基材在锂硫电池正极中应用。
...【技术特征摘要】
1.一种锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，包括步骤如下：
2.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述碱溶液的ph为10～12，优选为11；所述碱为naoh或koh；所述碱溶液的体积与木质素的质量之比为10～30ml:1g。
3.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述胺类化合物为三聚氰胺、双氰胺、尿素或乙二胺；所述甲醛水溶液的体积与胺类化合物的质量之比为10～20ml:1g；所述溶解有胺类化合物的甲醛水溶液按照下述方法制备得到：将胺类化合物在80～90℃下加入甲醛水溶液中，搅拌5～15min，即得。
4.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述木质素、胺类化合物和甲醛的质量比为1:0.5～1.5:0.5～1.5。
5.根据权利要求1所述锂硫电池木质素基载硫基材的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述反应温度...
【专利技术属性】
技术研发人员：席跃宾，田熠辉，孔凡功，王守娟，公艳艳，杨芝雨，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学山东省科学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。