[发明专利]碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料、其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料、其制备方法与应用。所述碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料的制备方法包括：提供硫化锂溶液和高分子溶液，再将硫化锂溶液和高分子溶液混合制得复合物粉体，之后进行煅烧，获得所述碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料。本发明的方法简单有效，条件温和，可以高效制备出粒径在5nm左右且包裹在碳材料内的硫化锂纳米晶体，此种材料可以显著降低硫化锂正极材料首次充电所需要克服的能垒、提高正极材料的导电率并且极大提升电池的循环性能。

技术领域

本发明具体涉及一种碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料、其制备方法与应用，属于电化学技术领域。

背景技术

随着传统资源和能源日益紧缺、环境问题日趋严重，开发新的能源储存及转换技术已经成为各国的能源战略重点。其中，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。它以硫做为主要正极活性物质，具有高比容量(1675mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)，实际能量密度也已经能达到400Wh/kg，同时硫具有廉价而无毒的特点，因此锂硫电池正日益受到关注。

从1960年至今，锂硫电池正极材料主要分为以下三类：单质硫、硫化锂和有机硫，而硫化锂由于其可以实现无锂负极匹配，可以提升电池安全性能从而备受关注。但是由于硫化锂是一种电子和离子的绝缘体，如何让硫化锂得到电子而充分反应就成为了问题，目前一般都是通过添加导电添加剂使之与硫化锂颗粒实现电接触进行的。从纳米科学的角度考虑，如果硫化锂颗粒越小，则比表面积越大，与导电成分接触越充分，电子在硫化锂颗粒中的运动距离越短，硫化锂的利用率将得到提高，因此制备硫化锂的纳米颗粒是解决硫化锂低的电子电导的有效手段。另外硫化锂作为硫的还原态，在首次充电的时候需要克服一个大约1V的势垒，而此势垒随着硫化锂颗粒的降低而降低，因此硫化锂的纳米化显得更加重要。

但是，现有的硫化锂纳米化工艺复杂，不容易重复，特别是其中的液相方法所得硫化锂颗粒的粒度偏大，产生这种情况原因是物料微观混合差，发生沉淀反应时成核量小，成核不均匀，直接影响了硫化锂颗粒的粒度，且锂硫电池中存在另一个问题，即电池充放电过程中硫形成多硫化物并大量溶解于电解液中，造成电池性能下降。

另一方面，虽然硫化锂的纳米化能在一定程度上解决硫的弱导电性缺陷，但是在锂硫电池中还存在另外的一些问题，例如，电池充放电过程中硫形成多硫化物并大量溶解于电解液中，造成电池性能下降。因此，利用有机或无机材料对含硫材料进行表面包覆以防止多硫化物溶出是锂硫电池研究生产另外一个关键的工作。例如，有研究人员利用聚吡咯包覆硫化锂颗粒制备了硫化锂正极。又如，还有研究人员利用N掺杂石墨烯和硫化锂复合形成硫化锂和碳的复合物正极材料。这些方案均可以不同程度的提高锂硫电池的性能，然而其无法解决硫化锂正极材料首次充电的势垒问题，首次充电的极化现象仍非常严重。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料、其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料的制备方法，其包括：

(1)将硫化锂溶解在第一溶剂中形成硫化锂溶液，以及将高分子材料溶解在第二溶剂中形成高分子溶液，所述第一溶剂与第二溶剂互溶，且室温下硫化锂在第二溶剂中的溶解度小于在第一溶剂中的溶解度，同时第二溶剂的沸点高于第一溶剂；

(2)在使所述高分子溶液保持被持续强烈扰动的状态下，将所述硫化锂溶液分批加入所述高分子溶液，形成均匀分散液；

(3)保持使所述均匀分散液被扰动的状态，并通过加热方式除去所述分散液内的溶剂，形成聚合物包覆硫化锂纳米颗粒的复合物粉体；

(4)将所述聚合物包覆硫化锂纳米颗粒的复合物粉体在保护性气氛中煅烧，获得所述碳包覆硫化锂纳米晶体复合材料。