[发明专利]用于锂-硫电池的含有高石墨化的碳材料的硫-碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种包含高石墨化的碳材料和硫的硫‑碳复合材料，其中高石墨化的碳材料具有较高的石墨化程度，其特征在于在拉曼光谱中G带与D带的强度比大于1.0，所述材料或者是石墨化的微孔碳基质，或者是由石墨化的微孔碳层包覆导电内核的核‑壳材料；其中硫被封装在所述高石墨化的碳材料的多孔结构中，本发明还涉及包含所述硫‑碳复合材料的电极和锂‑硫电池，以及制备所述硫‑碳复合材料的方法。

技术领域

本发明涉及用于锂-硫电池的包含高石墨化的碳材料的硫-碳复合材料，含有所述复合材料的电极和锂-硫电池，以及制备所述硫-碳复合材料的方法。

背景技术

由于理论能量密度高达2600Wh kg^-1，现今锂-硫电池的研究量巨大。然而，由于硫/锂电池中的硫化物为天然的绝缘体，而且由于中间产物多硫化物组分的溶解造成硫不可逆的损失，锂-硫电池的循环寿命和速率性能都比较差。多孔碳被证明是一种有效的基质，其多孔结构可以捕获多硫化物，从而提高了容量保留能力。高石墨化的碳材料有利于提高硫的电活性，同时有助于电子和离子的传输，但通常需要较苛刻的制备条件。目前，已设计出不同的多孔碳以容纳硫，然而用简单的方法来利用和固定硫并综合所有的结构优势，例如充足的空间、高度的石墨化区域、相互连接的离子通道以及有限的纳米空间还没有得到充分的证实。

为了提供良好的电子导电网络，同时限制多硫化物中间体，具有一定石墨化程度的多孔碳骨架已被用作固化硫的有效基质。然而，上述多孔碳材料的当前制备方法比较复杂，石墨化程度也较低，这些成为得到高循环稳定性和高速率性能的最大障碍。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供一种适用于锂-硫电池中的高石墨化的碳材料(也被称为“高石墨化碳”，缩写为“HGC”或“HGCs”)，其特征在于高石墨化程度。本发明的另一目的是提供一种简单且温和的方法，通过用含过渡金属的盐共热解含碳的原料，来合成所述高石墨化的碳材料，使解决上述问题成为可能。

更具体的，本发明提供了一种含有高石墨化的碳材料和硫的硫-碳复合材料，其中高石墨化的碳材料的高石墨化程度由拉曼光谱中G带与D带的强度比大于1.0来表征，同时硫被封装在高石墨化的碳材料的多孔结构中。

所述高石墨化的碳材料可以是石墨化的微孔碳基质，或者是由石墨化的微孔碳层包覆导电内核的核壳材料。在本发明的上下文中，核壳结构中的“石墨化的微孔碳层”指微孔碳层已被石墨化。该导电内核本身具有微孔结构，或者具有被微孔石墨化的碳层包覆的非微孔结构。

本发明提供了一种电极，该电极包含本发明所述的硫-碳复合材料。

本发明还提供了一种锂-硫电池，该电池包含本发明所述的硫-碳复合材料。

本发明还提供了一种制备上述硫-碳复合材料的方法，该方法将在以下描述中详细讨论。

在本说明书的上下文中，所用材料将采用缩写形式，如CNT表示碳纳米管，GN表示石墨烯纳米片，MPCS表示微孔碳球，HGCS表示高石墨化的碳球。

符号“@”表示该符号前面的物质被该符号后面的物质堆积或包覆。因此，“CNT@HGC”表示碳纳米管被高石墨化的碳堆积或包覆；缩写“CNT@HGC-S”或“S/(CNT@HGC)”表明硫负载于CNT@HGC上。同样地，“GN@HGC”表明石墨烯纳米片被高石墨化的碳堆积或包覆；而且缩写“GN@HGC-S”或“S/(GN@HGC)”表示硫负载于GN@HGC上。

进一步地，在本发明制备硫-碳复合材料的特定步骤中，首先可以得到“CNT@MO”(M表示过渡金属，MO表示过渡金属氧化物)，因为将CNT与含过渡金属的盐的水溶液混合，保持在60-120℃直到CNT上堆积或包覆有过渡金属氧化物。然后，将所得的“CNT@MO”与碳源混合，进行水热反应，相应地，再通过热解得到“CNT@MO@HGC”。用酸性溶液可以很容易地将“CNT@MO@HGC”中的MO移除，从而得到CNT@HGC。