[发明专利]一种锂硫电池三维碳集流体的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及电化学电池领域，特别是涉及一种锂硫电池三维碳集流体的制备方法及该锂硫电池三维碳集流体在锂硫电池中的应用。本发明的锂硫电池三维碳集流体的制备方法包括：将有机发泡材料用有机溶剂浸泡2‑6h，洗涤，干燥，在惰性气体保护下，700‑900℃保温2‑6h，即得；所述有机发泡材料为聚氨酯泡沫、三聚氰胺泡沫中的任意一种；所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、丙酮中的任意一种。本发明的锂硫电池三维碳集流体的制备方法采用有机发泡材料在高温下碳化制得集流体，其三维结构能够提高集流体的面载硫量，而且具有一定的弹性，能够容纳充放电过程中硫的体积膨胀。

技术领域

本发明涉及电化学电池领域，特别是涉及一种锂硫电池三维碳集流体的制备方法及该锂硫电池三维碳集流体在锂硫电池中的应用。

背景技术

随着科技日新月异的发展，能源问题愈发引人关注，新型能源的开发与利用将是未来长期的热点。然而新能源的利用需要依赖于一种成熟、稳定、安全的储能体系。锂离子电池，作为一种新型的二次电池，被公认为最有潜质的储能系统之一。但是其比能量相对较低、价格高昂等缺点限制了其发展。因此，开发能量高、价格低、寿命长、安全有保障的储能体系具有重要意义。

锂硫电池是以单质硫作为正极、金属锂为负极的二次电池，作为正极活性物质的硫广泛存在于地壳，价格低廉，而且具有环境友好等特点。除此之外，硫作为活性物质时，其理论比容量高达1675mAh/g，理论比能量为2600Wh/kg,相当于目前已经市场化的二次电池的3-5倍。但是，目前的锂硫电池还存在如下缺点，第一，硫单质的绝缘性；第二，聚硫离子在电解液中溶解和迁移；第三，电化学反应中硫体积的膨胀。这些缺点导致锂硫电池循环稳定性差，库伦效率较低，严重限制了锂硫电池的广泛应用。

通过研究发现，造成锂硫电池循环稳定差和库伦效率低的首要原因是在电化学反应过程中聚硫离子在电解液中的溶解和迁移，即部分硫元素以多硫化物的形式存在于电解液中，从而造成锂硫电池库伦效率低。进一步扩散到锂负极的多硫化物会成沉积在锂负极，活泼性很高的锂负极会被迁移过来的多硫化物腐蚀，从而造成电极片的破坏，导致锂硫电池容量衰减，降低了其循环性能。另外，由于在正极片制备的过程中要加入一些诸如导电剂和粘结剂的非活性材料来满足电极片的需求，这些非活性物质在很大程度是会占据部分体积和重量，从而限制锂硫电池的比容量。因此，抑制中间产物的溶解和迁移问题，是提高锂硫电池的循环性能的关键，同时，使用合适的添加剂和集流体也是提高锂硫电池性能的重要方式。

构筑导电网络框架、优化电池结构设计是解决上述问题比较有效的方法。申请公布号为CN103606646A的中国发明专利(申请公布日为2014年2月26日)公开了一种锂硫电池的镍硫正极及其制备方法，具体公开了由泡沫镍作为网状骨架机构的正极，在0.2C倍率下，首次比容量达1385mAh/g,10个循环后仍然保持1146mAh/g。但是该方案并没有提高锂硫电池的循环稳定性能。此外，泡沫镍密度相对较高，会损失质量比容量。申请公布号为CN103700818A的中国发明专利(申请公布日为2014年4月2日)公开了一种氮掺杂的多孔碳纳米纤维网状结构的碳硫复合材料及其制备方法和应用，并具体公开了其制备的由多孔纳米碳纤维网状结构正极，该材料40个循环后比容量能够达到800mAh/g。但是该材料制作工艺复杂，成本较高，不利于规模化生产。又如申请公布号为CN103840167A的中国发明专利公开了一种基于石墨烯海绵的硒/硫碳电极及其制备方法与应用，并具体公开了一种石墨烯海绵电极，该柔性电极表现出来较为优秀的循环稳定性能，但是因其传统的二维结构，仍不能解决载硫量低等问题。另外，上述方法合成过程比较复杂，对设备要求较高，导致实验成本较高。

申请公布号为CN104766943A的中国发明专利(申请公布日为2015年7月8日)公开了一种高能量密度的锂硫电池电极的制备方法及应用，并具体公开了一种三维导电碳纤维网络，由脱脂棉为原料，在800-1200℃高温处理使其碳化、结晶化，得到碳纤维网络结构体。但是，该材料对多硫化物溶解的抑制能力较差，制备出的锂硫电池的循环性能较差，而且在制备电极时还需要另外加入导电剂，降低了电池的能量密度。