[发明专利]一种用于锂硫电池正极材料的碳硫复合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂硫二次电池关键材料及其制备方法，特别涉及一种用于锂硫电池正极材料的碳硫复合物及其制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池是一种以金属锂为负极、单质硫为正极的二次电池，其比能量理论上可达到2600Wh/kg，远大于现阶段所使用的任何商业化二次电池。除了能量密度高，锂硫电池还具有环境污染小、安全性能好、其正极材料单质硫具有来源丰富、价格低廉等优点。因此，锂硫电池在新能源领域中将具有广阔的应用前景。作为动力电池可广泛地应用于插电式混合动力车、电动汽车、空间飞行器以及水下潜器等；作为储能电池可应用于通讯基站的备用电源、风能和太阳能储能、远离市电区域的边远地区供电电源等。

目前锂硫电池的发展水平还比较低，其发展面临很多问题的困扰。如，正极活性物质硫为电子和离子绝缘体，不能用100％单质硫电极进行充放电，必须和电子或离子导电剂均匀混合后才能使用。同时，硫电极放电产物多硫化锂也不导电，且容易溶解扩散流失到电解液，使电极的活性物质逐渐减少，且由于穿梭原理，溶解的多硫化锂会穿过隔膜达到电池的负极锂片上，生成的硫化锂等产物导电性差且不溶解，从而引起电池负极的腐蚀和电池内阻的增加，导致电池的循环性能变差，容量逐步衰减。因此，近年来为了提高单质硫的利用率，抑制单质硫及其放电产物的溶解流失，提高锂硫电池的循环稳定性，不少工作者做了大量的工作。其中添加一种或多种导电相与硫复合不仅能提高硫电极的导电性，而且能有效地抑制多硫化锂的溶解，成为锂硫电池正极材料改性的热点之一。

中国专利(申请号200910111579.8)公开了一种有序介孔碳-硫纳米复合正极材料及其制备方法，由于制备的介孔碳双孔分布非常接近，在充硫过程中容易将离子与电解液的传输通道堵塞，导致活性物质硫的利用率较低，限制了其发展。

中国专利(申请号201010513866.4)公开了一种溅射法制备锂硫电池正极材料的方法，由于使用设备的价格昂贵，限制了其工业化大生产。

中国专利(申请号200910241977.1)公开了一种含硫导电聚合物-硫复合物的锂硫电池正极材料，因其制备过程中使用的噻吩不安全环保，限制了其发展。

中国专利(申请号201010181391.3)公开了一种空心纳米碳管填充硫的正极材料的制备方法，但由于其要在高温高压条件下操作，工艺上比较繁琐，也限制了其发展。

综上，现有锂硫电池正极材料(硫与导电材料的复合)无论是在产品的性能还是在商用价值方面均有待改进之处。

发明内容

针对上述锂硫电池正极材料存在的问题，本发明的目的是提供一种用于锂硫电池正极材料的碳硫复合物及其制备方法，利用锂硫电池微孔吸附、介孔储能的反应机理，提出一种多级孔分布的碳硫复合物及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为，

一种用于锂硫电池正极材料的碳硫复合物，包括碳材料和单质硫，其中碳材料由孔径2-5nm介孔碳和孔径30-70nm的导电碳掺杂而成，且孔径30-70nm的导电碳中含有0.5-1.7nm的微孔；单质硫占复合物总量的10-90wt％。

所述微孔孔面积占孔总面积的30-70％，其中优选40-60％，最佳值为50％。

所述多级孔分布的碳材料由孔径为2-5nm的有序介孔碳和孔径为0.5-1.7nm与30-70nm的导电碳组成。

碳材料孔容为1.5-3.0cm³/g，比表面积为1000-2500m²/g。

所述碳硫复合物的制备方法包括以下步骤：

(1)制备多级孔分布的碳材料；

将介孔孔径为2-5nm的有序介孔碳和孔径为0.5-1.7nm与30-70nm的导电碳按质量比为1∶4-4∶1的比例混合通过研磨或超声法制得混合粉末；

具体将混合物放入转速大于20000r/min的高速研磨机中，研磨1-60min，或溶于有机溶剂(乙醇、异丙醇、乙二醇、丙三醇或N-甲基吡咯烷酮)中超声15-120min；

将混合粉末在惰性气体保护下，于600-1000℃焙烧2-6h，得到多级孔分布的碳材料；

(2)将(1)所制备的多级孔分布的碳材料和单质硫按质量比为1∶1-1∶10

进行混合；

(3)在惰性气体或真空环境保护下，将(2)的混合物加热至120-180℃，恒温2-12h，继续加热至200-300℃，恒温2-12h后冷却至室温，得到碳硫复合物。