[发明专利]一种锂硫电池的硫/碳复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属锂电池电极材料和锂电池领域，尤其涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法、使用该材料的正极和使用该正极的锂硫电池。

背景技术

锂离子电池在现代生活中的应用日益广泛。在如笔记本电脑、家用电器等日常生活的移动电源中已有着广泛的应用。由于日益短缺的传统化石能源和人类保护环境的需求，锂离子在电动汽车、混合动力汽车电源上的使用要求不断增加，在风能和太阳能这种不稳定能源的储存方面的需求也与日俱增。在过去的20年时间里，插入式正极电池材料钴酸锂（LiCoO₂）在商业上得到广泛应用。钴酸锂的理论容量为270 mA h g^-1，但其实际可利用的比容量约为150 mA h g^-1，并且Co是一种战略资源，价格较昂贵，而且其能量密度和功率密度不能够满足目前车载电池高容量和高动力性能的要求。

硫是自然界广泛存在的元素，硫的价格低廉，对环境无毒无害，其作为新一代锂电池正极材料，理论容量可达1675 mA h g^-1，能量密度为2600 W h kg^-1，几倍于目前商业使用的钴酸锂等正极材料。以硫为正极材料的锂硫电池也可做成多种形状尺寸的电池，也包括软包装电池。但与钴酸锂等插入式锂离子电池正极电池材料不同，硫正极在充放电循环过程中，经历了结构和成分的变化。硫单质在充放电过程中形成的锂的多硫化物可溶于电解液中，并沉积于锂电极，在电池的充电过程中会产生自放电，因而需要较大的充电电流才能充电，降低了电池的充电效率。此外，由于单质硫和锂的多硫化合物均为绝缘体，其溶解进入电解液后会降低电解液的导电性，使电池的循环稳定性下降。因而采用硫作为锂硫电池的正极材料常需要导电性物质作为载体，并能对硫进行一定的包覆，以降低其在电解液中的溶解。如中国专利CN102780001A 公开了一种锂硫电池的硫正极材料，这种正极材料利用介孔金属-有机物框架与单质硫纳米颗粒原位复合而成。碳是一种具有良好导电性的材料，目前被广泛用于硫正极材料的载体。而且碳具有一定的弹性，可以缓冲硫正极材料在充放电过程中生成的不同结构的锂硫化合物由于其体积的变化而对其载体造成应变，从而引起载体的部分失效。中国专利CN101891930A 公开了一种含碳纳米管的硫基复合材料及其制备方法，将丙烯腈-衣康酸单体在共聚物脱氢环化形成的集合体中，组成电池后循环30次容量保持在600mA h g^-1以上。这种方法有利于碳纳米管的分散和硫的均匀分布，但是合成工艺非常复杂，原料碳纳米管的制作成本较高，目前商业化的碳纳米管价格也在20元/g左右，且几乎不能大规模商业化生产。

秸秆、面粉、木材、竹子、棉花、水藻和稻壳等含碳生物质材料经高温裂解后可生成多孔碳。尤其是秸秆和稻壳及木材和竹子的加工剩余料常被作为废弃物作简单的焚烧处理，对大气环境造成污染。但未见有文献或专利报道利用稻壳等植物碳化制备成硫/碳复合材料并作为锂硫电池正极使用的报道。本发明采用秸秆、面粉、水藻、木材、竹子、棉花和稻壳经高温裂解后生成的多孔碳作为碳载体，用于制备硫/碳复合锂硫电池正极材料。本发明对于提高相应农作物经济效益，为高容量锂硫电池开发可再生的碳载体，提供高性能的硫/碳复合电极材料，获得高性能的锂硫电池具有重要意义。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种锂硫电池的硫/碳复合正极材料的制备方法，该方法工艺简单，适合规模化生产。本发明的第二个目的是提供上述方法制备的硫/碳复合正极材料，该材料具有容量高、循环性能好、原材料来源丰富、成本低廉、安全环保等优点，作为其主要原材料之一的多孔碳具有可再生性。本发明的第三个目的是提供使用该材料的锂硫电池正极。本发明的第四个目的是提供使用该正极的锂硫电池。

为了实现上述第一个发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂硫电池的硫/碳复合正极材料的制备方法，该复合材料由硫和碳经球磨或搅拌的方法进行混合，然后再将该混合物在真空、氩气或氮气气氛中，在100～600℃保温0.5～24小时，冷却后得到硫/碳复合材料；所述的碳采用含碳生物质材料为碳源，经碳化获得；所述的硫为单质硫；复合材料中硫和碳的质量比为（0.4～5）：1。

作为优选，在200～400℃下保温8～12小时。

作为优选，所述的硫和碳的质量比为（0.8～4）：1。

作为优选，所述的碳采用稻壳、秸秆、面粉、水藻、面粉、木材、竹子和棉花中的一种或多种混合为碳源。