[发明专利]一种等级孔碳基锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种等级孔碳基锂硫电池正极材料及其制备方法，首先以蔗糖和硅溶胶为主要原料制备具有介孔、微孔结构的等级孔碳材料，热复合法进行硫填充后，采用CS₂将介孔中的硫萃取出来，使得硫单质基本填充在等级孔碳材料的微孔中，利用微孔较强吸附作用有效地抑制聚硫化锂的流失和体积膨胀效应，利用介孔通道进行电子传导，有利于氧化还原反应顺利进行，提高电池比容量。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种等级孔碳基锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子二次电池具有工作电压高、携带方便、无记忆效、应循环寿命长以及无污染等优点，目前控制着大部分电池市场份额。但是随着移动互联网时代的来临，电动自行车、电动汽车、大型储能电站进入大规模发展和应用阶段，锂离子电池能量密度已经明显不足不了市场需求，目前商业化最成熟的钴酸锂、磷酸铁锂等锂离子电池理论比容量低，难以满足高新技术产业的发展以及人们对大功率电池和高压储能方面的更高要求。而硫的理论容量为1675mAh/g，是目前商用锂离子电池容量的5-10倍，此外硫来源广泛，储存量大，价格低廉，环境友好，是一种非常具有应用前景的正极材料。

但是锂硫电池也面临很多挑战：其一，单质硫的低导电性，严重影响电子传导，影响电池能量密度；第二，充放电过程中，一部分中间产物聚硫化锂极易溶于电解液，来回穿梭于正负极，容易与负极锂发生发生副反应，沉积于锂片上，产生“穿梭效应”，使得电池循环稳定性降低；第三，在充放电过程中，正极材料中的环状S₈溶解在电解液中开环变为长链的Li₂S₆，会发生体积膨胀，膨胀率达到80％，会严重破坏正极材料的结构稳定性，降低电池的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种等级孔碳基锂硫电池正极材料及其制备方法，以蔗糖和硅溶胶为主要原料制备具有介孔、微孔结构的等级孔碳材料，然后进行硫填充，使硫单质基本填充在等级孔碳材料的微孔中，有效抑制聚硫化锂的流失，同时高效利用介孔通道进行电子传导，有利于氧化还原反应顺利进行，提高电池比容量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种等级孔碳基锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将硅溶胶、蔗糖、稀硫酸混合于水中，搅拌、超声，得混合原料；

2)将步骤1)所得混合原料进行烘干得黑色固体混合物；

3)将步骤2)所得黑色固体混合物进行研磨，然后于管式炉中氩气氛围下进行碳化得到黑色颗粒；

4)将步骤3)所得黑色颗粒采用HF溶液进行搅拌酸化，除去SiO₂得具有介孔、微孔结构的等级孔碳材料；

5)将所得的等级孔碳材料烘干后与硫单质混合均匀，然后置于高温反应釜中，加热进行保温反应。

6)将步骤5)所得碳硫复合物碳硫复合物浸泡于CS₂中，萃取出介孔孔道内的硫，使硫基本填充在微孔孔道内，随后将烧杯置于烘箱中，烘干CS₂，得到的黑色粉末即为所述等级孔碳基锂硫电池正极材料。

上述方案中，步骤1)中所述超声溶解时间为30-60min。

上述方案中，所述稀硫酸的质量浓度为10-20wt％。

上述方案中，所述硅溶胶中SiO₂的粒径为20-30nm。

上述方案中，所述硅溶胶中引入的SiO₂、蔗糖和稀硫酸引入的H₂SO₄质量比为15:(8-10):(1～2)。

上述方案中，步骤2)中所述烘干温度为60-80℃。