[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法，属于新能源领域。

背景技术

随着人类社会的发展，能源短缺、环境污染等问题的日益突出，人们对化学电源的认识和要求也越来越高，促使人们不断探索新的化学电源为主的能量储存系统。近几十年来，以金属锂为基础的电池引领了高性能化学电源的发展方向。随着锂离子电池的成功商业化，世界各国都在加紧开展车用锂离子动力电池的研究。但由于能量密度、安全性、价格等因素，常规锂离子电池如钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂电池作为动力源无法满足电动汽车的要求。

锂硫电池是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次电池。它具有高比容量（1675mAh/g）和高能量密度（2600Wh/kg）。另外，硫作为正极活性物质在来源、成本和环境友好等方面也表现出不可比拟的优势。目前，锂硫电池存在循环性能差、倍率性能需要进一步提高等问题。而锂硫电池存在的两个主要的问题在于一方面活性物质硫材料本身和最终放电产物Li₂S是电子和离子的绝缘体；另一方面，放电过程中的中间产物多硫化物易溶解于电解液中，这些会造成活性物质的不可逆损失和容量衰减。为此，如何抑制多硫化物的扩散、提高硫正极循环过程中的导电性是硫基正极材料的研究重点。

近几年学术界主要围绕抑制多硫化物扩散和改善正极材料导电性两个方面开展研究。在材料结构上，首先考虑是将单质硫吸附在多孔材料骨架上，例如将多孔炭如活性炭、碳纳米管、石墨烯等碳材料与硫复合，防止反应过程生产的多硫化合物溶解到电解液中，通过电解液扩散，这样有助于减少穿梭效应和自放电现象。这些新型材料结构或多或少提高了电极的循环稳定性。但传统的多孔炭材料一般比表面积较小，孔径尺寸单一，结构一致性差、孔径难以调控，材料的吸附活性物质硫能力有限，造成制备的复合正极材料中的硫含量较低、分布不均匀，导电性能差，装配成电池循环数圈后，仍然有大量活性物质会从炭结构孔道中溶解，造成活性物质的损失，锂硫电池能量密度很难进一步提高。

综上所述，本领域迫切需要开发一种兼具良好的导电性和层次孔结构的锂硫电池用正极材料，抑制多硫化物的扩散、提高硫正极循环过程中的导电性，进而提高正极材料的离子传输能力和导电性，可有效降低充放电极化，减小电池内阻，提高锂硫电池的大倍率性能。

发明内容

本发明针对现有技术中的多孔炭和硫复合得到的正极材料因存在吸附活性物质硫能力有限、导电性能差的问题而使其在电池中的应用受到局限，目的是在于提供一种能提高锂硫电池的高倍率性能和高循环性能的锂硫电池正极材料。

本发明的另一个目的是在于提供一种工艺简单、低成本的制备所述锂硫电池正极材料的方法，该方法便于工业化生产。

本发明提供了一种锂硫电池正极材料，该锂硫电池正极材料由单质硫和三维分级多孔炭复合而成；所述的三维分级多孔炭是将多壁碳纳米管与介孔金属有机框架形成的复合物经500～900℃高温碳化后，得到由多壁碳纳米管穿插在介孔金属有机框架构筑的多孔炭骨架中形成的有机的复合结构；所述的多壁碳纳米管为复合物质量的5～30%。

所述的复合物是在制备介孔金属有机框架的同时加入多壁碳纳米管制得；所述的多壁碳纳米管的直径为10～60nm。

所述的三维分级多孔炭比表面积为300～2000m²/g。

所述的三维分级多孔炭具有由中孔和微孔构成的层次孔状结构，且孔结构之间相互贯通；所述的单质硫为单质纳米硫颗粒，分散负载在三维分级多孔炭的表面及其孔结构中。

所述的层次孔状结构中的中孔孔径为2～50nm，微孔孔径＜2nm，其中，中孔含量为中孔和微孔总数的30～60%。

所述的有机的复合结构是指复合结构的各部分为互相关联协调而不可分的整体。

本发明还提供了一种所述的锂硫电池正极材料的制备方法，该制备方法是将金属盐、有机配体和多壁碳纳米管通过分散剂在隔绝空气的条件下超声分散在有机溶剂中后，转移到密闭反应釜中，以2～10℃/min的升温速率从室温加热至110～200℃进行溶剂热反应；反应完成后，冷却，分离出前驱体复合物，所得前驱体复合物经干燥后在500～900℃下碳化3～24h，得到三维分级多孔炭；所得三维分级多孔炭和单质硫复合，即得。

所述的的金属盐为Zn(CH₃COO)₂、ZnCl₂、Zn(NO₃)₂、ZnSO₄及其水合物中的一种或几种。