[发明专利]一种高硫含量的碳硫材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种高硫含量的碳硫材料及其制备方法，该碳硫材料具备三维多孔结构，硫的含量高达85%，其制备方法主要包括以下五个步骤：步骤一，将水溶性硫酸盐、水溶性碳源及水按照预设比例混合均匀，得到混合溶液；步骤二，用泡沫材料吸附所述混合溶液后冷冻干燥，得到前驱体；步骤三，将所述前驱体在高温下热处理，获得中间产物；步骤四，将所述中间产物加入含三价铁离子的溶液中，充分反应，得到反应初产物；步骤五，过滤、洗涤所述反应初产物，烘干，得到高硫含量的碳硫材料。与现有技术相比，该碳硫材料硫含量高、结构稳定，用于锂硫电池正极中可显著提高电池的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种用于锂硫电池正极的高硫含量的碳硫材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池由于其具有较高的理论能量密度和低能耗的特点，被认为是下一代新型储能器件。然而研究发现锂硫电池中其反应中间产物多硫化锂(Li2Sn，3≤n≤8)的溶解和穿梭效应会导致活性物质的流失，从而造成容量衰减、循环寿命差等问题。此外，硫及其放电产物(Li2S2和Li2S)基本不导电，同样制约着锂硫电池性能的提升。上述问题严重制约着锂硫电池自身高能量密度优势的发挥以及电池的循环稳定性，是阻碍锂硫电池商业化进程中的关键性问题。

通常研究采用纳米碳材料丰富的孔道结构来限制多硫化物的溶解问题。然而，在大多数报道中，由于受到孔体积限制的原因，碳硫复合材料中硫含量大多数低于70％，造成实际能量密度仍无法达到实际商业化的要求。其中限制硫含量的主要原因，一是受孔的容量限制，二是受熔融制备方法的限制。也有很多报道利用化学法合成高硫含量的碳硫复合材料，但这种复合材料往往会引起硫的团聚，造成容量无法充分地发挥。因此如何制备出一种同时具有较高容量和较好循环稳定性的高硫负载量的锂硫电池正极材料，是本领域的研究方向之一。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高硫含量的碳硫材料及其制备方法，该碳硫材料的制备步骤简单，易于实现，成本低，容易实现产业化，其用于锂硫电池正极中，能够显著提高锂硫电池的循环性能和倍率性能。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种制备高硫含量的碳硫材料的方法，主要包括如下步骤：步骤一，将水溶性硫酸盐、水溶性碳源及水按照预设比例混合均匀，得到混合溶液；步骤二，用泡沫材料吸附所述混合溶液后冷冻干燥，得到前驱体；步骤三，将所述前驱体在惰性气体保护下高温处理，获得中间产物；步骤四，将所述中间产物加入含三价铁离子的溶液中，充分反应，得到反应初产物；步骤五，过滤、洗涤所述反应初产物，烘干，得到高硫含量的碳硫材料。

步骤一中，水溶性硫酸盐主要包括硫酸钠、硫酸钾、硫酸锂、硫酸镁、硫酸镍、硫酸亚铁、硫酸锌、硫酸铝、硫酸铜中的一种或多种；水溶性碳源主要为水溶性有机碳源，例如蔗糖、葡萄糖、酚醛树脂、环氧树脂、琼脂、聚苯胺及聚吡咯中的一种或多种；水溶性硫酸盐、水溶性碳源及水根据质量的预设比例一般为0.8～1.5:1:5～12，优选为1～1.2:1:8～10。

步骤二中，泡沫材料主要为有机发泡材料，例如聚酰亚胺泡沫、聚乙烯醇泡沫、聚三聚氰胺氨泡沫或聚乙烯泡沫；冷冻干燥温度为-50～-0℃，优选为-50～-30℃。

步骤三中，高温处理温度大于等于700℃，保温时间大于等于10min；优选地，所述高温处理温度大于等于850℃，保温时间大于等于0.5h。

步骤四中，所述三价铁离子与硫酸盐的摩尔比大于等于2。常见的含三价铁离子的溶液有硝酸铁、氯化铁、碳酸铁等。

步骤五中，烘干温度小于等于60℃。

作为本发明的另一目的，还提供了一种高硫含量的碳硫材料，所述碳硫材料主要采用上述的制备高硫含量的碳硫材料的方法制成。