一种硫-海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硫

【技术实现步骤摘要】
一种硫
‑
海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂硫电池正极材料制备
，具体涉及一种硫
‑
海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近些年来，随着能源和环境问题的日益严峻，人们迫切需要开发环保、安全和高能量密度的储能装置。锂硫电池由于具有高的理论比容量(1675mAh g
‑1)和理论能量密度(2600W h kg
‑1)受到了极大的关注，有望成为下一代混合动力和所有电动汽车的高密度储能装置。然而，锂硫电池正极存在的固有挑战阻碍了其实际应用，如：(i)单质硫的绝缘性质，导致活性物质利用不足，电池的高功率性能受到限制；(ii)反应过程中生成可溶性多硫化锂中间体，会造成活性材料的严重损耗，降低库仑效率，导致循环稳定性差； (iii)反应前后硫有接近80％的体积膨胀，导致电极结构容易在循环过程中坍塌，循环寿命较低。因此，在锂硫电池正极材料制备过程中，往往需要将硫和其他导电载体材料复合以提高其导电性，为硫的体积膨胀提供空间，并且可以通过导电载体的物理阻隔、物理吸附或化学吸附多硫化物，来抑制“穿梭效应”，从而改善锂硫电池的电化学性能，提高循环寿命。
[0003]目前，在锂硫电池中添加多孔碳基材料的策略，被证实能有效缓解上述问题。多孔碳基材料具有高导电性、可调节的多孔结构和轻质性，可以通过提高碳与多硫化物之间的亲和力来提高硫的导电性和降低“穿梭效应”，进而实现较长的循环寿命。其中，生物质碳材料往往保留了生物质本身的骨架形貌，具有良好的分级结构，并且原位掺杂了氮、磷等异质元素，对多硫化物兼具物理阻隔与化学吸附作用，是理想的硫载体材料。但是大部分生物质衍生碳材料本身的三维构型与层级结构是固定的，如霉菌菌丝碳呈现三维丝状空间构型，对硫的负载主要集中在菌丝碳表面孔隙与菌丝内部空间，菌丝外部大孔不能有效实现硫的负载，使材料整体硫载量降低，并且会降低正极材料本身的压实密度。因此，需要构筑基于生物质衍生碳的新型高硫载量多维空间构型与层级结构的载体材料。

技术实现思路

[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种硫
‑
海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中菌丝外部大孔不能实现硫的有效负载以及材料整体硫载量较低的问题。
[0005]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种硫
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海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料，该复合材料包括霉菌菌丝衍生碳三维骨架和均匀掺杂其间的碳基材料；该复合材料还包括硫和金属催化剂；硫均布在霉菌菌丝衍生碳表面、碳基材料表面和三维骨架的分级孔隙中，金属催化剂负载在碳基材料表面。
[0006]本专利技术的有益效果为：本专利技术制备的硫
‑
海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合电极材料具有优异的导电性，有效促进反应过程中的离子电子传输；具有丰富的三维分
级孔隙结构，可以为硫的体积膨胀提供空间；具有复杂的孔道结构与丰富的异质元素掺杂，可以通过物理阻隔、物理吸附和化学吸附等拦截多硫化物，抑制“穿梭效应”，提升锂硫电池的比容量与循环寿命；具有均匀分散的金属催化剂负载，能显著提高多硫化物催化转化动力学。
[0007]本专利技术的复合材料作为自支撑锂硫电池正极材料时，具有硫载量高、导电性好和有效吸附多硫化物等优点；组装的锂硫电池具有高比容量、高倍率性能和长循环寿命的优点，在电动汽车、智能电网等储能领域具有广阔的应用前景，有望成为下一代混合动力和电动汽车的高密度储能装置。
[0008]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进：
[0009]进一步，复合材料中硫的质量分数为70
‑
90％。
[0010]进一步，霉菌菌丝衍生碳的直径为3
‑
5μm，所述碳基材料的尺寸为 0.05
‑
200μm，金属催化剂的粒径为1
‑
15nm。
[0011]采用上述进一步技术方案的有益效果为：该复合材料的微纳尺寸使得材料具有大的比表面积与更多活性位点，具有高电导率与短的离子扩散通道。
[0012]本专利技术还提供上述硫
‑
海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013](1)将液体培养基中培养的霉菌菌球取出，然后洗涤，冷冻干燥，制得菌丝球；
[0014](2)将步骤(1)制得的菌丝球浸润在海藻酸钠溶液中，然后继续浸润在多价阳离子盐溶液中进行固化，再清洗和干燥，加热至700
‑
900℃，保温 1
‑
3h，冷却，制得海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料；
[0015](3)将步骤(2)制得的海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料和硫混合均匀，于150
‑
180℃条件下反应5
‑
16h，冷却，制得硫
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海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料。
[0016]进一步，步骤(1)中，液体培养基为SDB培养基。
[0017]进一步，步骤(1)中，采用去离子水洗涤。
[0018]进一步，步骤(1)中，冷冻干燥2
‑
3。
[0019]进一步，步骤(2)中，海藻酸钠溶液的浓度为0.3
‑
2g/L。
[0020]进一步，步骤(2)中，多价阳离子盐溶液浓度为0.02
‑
0.5mol/L。
[0021]进一步，步骤(2)中，多价阳离子盐为氯化钒、氯化钴和氯化锰中至少一种。
[0022]进一步，步骤(2)中，固化2
‑
6h。
[0023]进一步，步骤(2)中，采用去离子水洗涤。
[0024]进一步，步骤(2)中，采用冷冻干燥。
[0025]进一步，步骤(2)中，在氩气氛围下加热。
[0026]本专利技术还提供上述硫
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海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料在制备自支撑锂硫电池正极材料中的应用。
[0027]本专利技术具有以下有益效果：
[0028]1、本专利技术通过在霉菌菌丝骨架中灌注液态海藻酸钠多糖与后续的多价阳离子置换过程，在霉菌菌丝三维空间体中实现原位凝胶化，经过后续干燥碳热处理，即可得到海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料。该复合材料的微纳尺寸使得材料具有大的比表
面积与更多活性位点，具有高电导率与短的离子扩散通道。该复合材料具有优异的导电性，有效促进反应过程中的离子电子传输；具有丰富的三维分级孔隙结构，可以为硫的体积膨胀提供空间；具有复杂的孔道结构与丰富的异质元素掺杂，可以通过物理阻隔、物理吸附和化学吸附等拦截多硫化物，抑制“穿梭效应”，提升锂硫电池的比容量与循环寿命；具有均匀分散的几纳米尺度的金属单质或金属化合物负载，能显著提高多硫化物催化转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫
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海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料，其特征在于，该复合材料包括霉菌菌丝衍生碳三维骨架和均匀掺杂其间的碳基材料；该复合材料还包括硫和金属催化剂；所述硫均布在所述霉菌菌丝衍生碳表面、碳基材料表面和三维骨架的分级孔隙中，所述金属催化剂负载在碳基材料表面。2.根据权利要求1所述的硫
‑
海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料，其特征在于，复合材料中硫的质量分数为70
‑
90％。3.根据权利要求1所述的硫
‑
海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料，其特征在于，所述霉菌菌丝衍生碳的直径为3
‑
5μm，所述碳基材料的尺寸为0.05
‑
200μm，金属催化剂的粒径为1
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15nm。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的硫
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海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将液体培养基中培养的霉菌菌球取出，然后洗涤，冷冻干燥，制得菌丝球；(2)将步骤(1)制得的菌丝球浸润在海藻酸钠溶液中，然后继续浸润在多价阳离子盐溶液中进行固化，再清洗和干燥，加热至700
‑
900℃，保温1
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3h，冷却，制得海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝衍生碳基复合材料；(3)将步骤(2)制得的海藻酸盐凝胶填充霉菌菌丝...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏新辉，黄蕾，张永起，
申请(专利权)人：电子科技大学长三角研究院湖州，
类型：发明
国别省市：