[发明专利]用于锂硫电池正极的碳硫复合材料及其制备方法

说明书

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碳硫复合材料及其制备方法。

背景技术

随着化石能源的不断消耗，新型可再生能源的开发和有效利用成为人类的重要课题。近年来，纯电动汽车，混合动力汽车以及无人机等进入了快速发展和普及的阶段，相应的能够相匹配的能量储存设备的研究与开发成为亟需攻克的技术难题之一。锂硫电池作为下一代高能量密度的新型锂电池，受到越来越广泛的关注。碳硫复合材料是锂硫电池正极最为常见的主材，该复合材料的质量很大程度上决定了锂硫电池的能量密度和循环寿命。

目前应用最广泛的碳硫复合材料是将多孔碳和硫的混合物在一定温度下进行反应，单质硫熔融成流动态后，在毛细管力的作用下进入碳材料的孔中形成碳硫复合材料。然而，此类制备方法是通过一系列的物理或者化学路径合成碳材料，然后才和硫进行复合，调控性受到限制，使这项技术在应用上具有一定的局限性。而且，硫是从孔洞进入碳材料与之复合，在实际应用中，形成的可溶性的多硫化锂也可能通过孔道扩散到电解液中，造成活性物质的损失。

因此，开发新型的碳硫复合材料合成路径，实现更大程度的对硫保护，并得到高的硫含量，从而实现高能量密度和长循环寿命的锂硫电池，是本领域的重点研究方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂硫电池正极的碳硫复合材料及其制备方法，可以提高碳硫复合材料中的硫含量，并改善锂硫电池的性能。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

用于锂硫电池正极的碳硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将可溶性硫化物、可溶性无机盐及可溶性可碳化有机物溶于溶剂中，配置成混合溶液；

将配得的混合溶液进行干燥，得到固体颗粒；

将固体颗粒磨成粉末，并在惰性气氛中进行高温碳化处理，得到固体粉末；

将固体粉末加入三价铁离子溶液中搅拌，无机盐溶解扩散到水溶液中，硫离子被铁离子氧化成纳米硫附着在碳骨架上，过滤洗涤除去离子组分，干燥后得到碳硫复合材料。

可选的，所述可溶性硫化物为硫化钠或硫化钠水合物。

可选的，所述可溶性无机盐为卤素盐或硫酸盐。

可选的，所述可溶性无机盐为氯化钠或氯化钾或氯化镁或氯化钙或溴化钠或溴化钾或溴化镁或溴化钙或硫酸钠或硫酸钾或硫酸镁。

可选的，所述可溶性可碳化有机物为蔗糖或葡萄糖或环糊精或呋喃醇。

可选的，将配置的混合溶液干燥，干燥方法为喷雾干燥。

可选的，所述三价铁离子溶液为氯化铁或硝酸铁或硫酸铁水溶液。

可选的，所述三价铁离子溶液的浓度为0.1～3摩尔/升。

可选的，可溶性硫化物、可溶性无机盐、可溶性可碳化有机物与溶剂的质量份数比是1～5:1～10:1～20:10～70。

用于锂硫电池正极的碳硫复合材料，采用前述的制备方法制成。

可选的，所述碳硫复合材料的硫含量为40％～95％，碳含量5％～60％。

由以上技术方案可知，本发明通过高温碳化的方法得到碳骨架网络，并配合三价铁离子溶液将硫化物氧化成纳米硫并沉积在碳骨架结构的内表面和孔洞中，能够实现最大程度的对硫的保护及提供良好的导电网络，并且可以对硫含量进行调控，得到高于90％的硫含量，应用于锂硫电池正极能够得到优异的电化学性能。

附图说明

图1为采用本发明实施例9碳硫复合材料制得的锂硫电池的首圈放电曲线图；

图2为采用本发明实施例9碳硫复合材料制得的锂硫电池的循环性能曲线图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明

具体实施方式

为了让本发明的上述和其它目的、特征及优点能更明显，下文特举本发明实施例，做详细说明如下。

本发明的碳硫复合材料的制备方法包括以下步骤：

将可溶性硫化物、可溶性无机盐及可溶性可碳化有机物溶于溶剂中，配置成混合溶液，使有机物在混合溶液中均匀分散在硫离子以及其他离子周围；其中，可溶性硫化物、可溶性无机盐、可溶性可碳化有机物与溶剂的质量份数比是1～5:1～10:1～20:10～70，优选为2～4:3～10:1～15:15～60；

将配得的混合溶液进行干燥，得到有机物和硫化物及无机盐均匀分散的固体复合物颗粒；

将得到的固体复合物颗粒磨成粉末，并在惰性气氛中进行高温处理，使有机物碳化后，得到碳骨架，和附着在碳骨架上的硫化物及无机盐的固体混合物粉末；