[发明专利]一种锂硫电池硫/碳正极复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料制备技术领域，尤其涉及到一种锂硫电池硫/碳正极复合材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有较高的理论比容量和能量密度，循环寿命长，无记忆效应，适用性强等优势，自1991年索尼公司商用化以来，获得了广泛的关注和发展，并随着便携式电子设备如笔记本电脑、手机的快速发展而迅速普及。随着现代电子通讯设备设计朝着以“轻、薄、短、小”为特征的方向发展，以及电动汽车对长续航里程和储能设备的储能需求，对体积小，能量密度高的动力型锂离子电池体系的需求日益急迫。

锂硫电池以单质硫作为正极材料，理论比容量高达1675mAh/g，能量密度可达到2600 Wh/kg，并且单质硫具有储量丰富，价格便宜，环境友好等优点，被认为是最有发展前景的下一代能量存储体系之一。锂硫电池目前还存在以下几个方面的问题；1）导电性差；单质硫在室温下（25℃）的电子电导率只有5×10-30S/cm，且没有离子态的硫存在，是典型的电子和离子绝缘体，直接用作正极活性物质比较困难，而且硫的最终放电产物Li2S2和Li2S对电子和离子也是绝缘的，造成电极整体导电性非常差。2）体积膨胀；单质硫与其最终放电产物Li2S的体积变化率达到80%，巨大的体积和收缩会严重影响电极结构的稳定性，最终可能导致电极结构的失效。3）飞梭效应；单质硫在放电过程中生成的可溶性多硫化物易溶于有机电解质中，随着充放电的循环进行而在电极之间穿梭，不但造成正极活性物质的流失，还引起能量的过度消耗和电池的循环性能的下降；4）锂枝晶；由于飞梭效应的存在，多硫化物在锂负极的分布不均匀，导致锂离子在负极表面分布的有差异，引起锂在负极表面的不均匀生长，导致锂枝晶的形成，锂离子在负极的分布越不均匀，锂枝晶会愈加严重。锂枝晶可能会刺穿隔膜，造成电池内部短路，带来严重的安全问题；5）SEI膜：在电池放电过程中，部分多硫化物在正负极表面参与形成SEI膜，SEI膜的存在，一方面可以限制飞梭效应和锂枝晶的形成，保护锂负极，另一方面也会造成硫正极活性物质的流失，影响电池的实际放电容量。

此外，锂硫电池的商业化应用还主要存在以下两方面问题，一是由于单质硫及其放电产物的电绝缘性及其在电解液中的溶解性，正极材料中不得不加入大量的导电碳、粘结剂等非活性物质，正极活性物质的负载量过低，循环容量衰减严重；二是负极方面，锂负极表面钝化层SEI膜在充放电循环过程中不断形成和分解，金属锂容易不断的粉化和再形成，使得可利用的金属锂也不断减少，导电性也不断下降。

导电含孔碳材料主要包括碳纳米管、多孔碳、碳纤维、空心碳（空心碳球、空心碳管，空心碳纤维）和石墨烯等，它们的导电性能好、孔隙率高、孔容量大、比表面积大，凭借其多孔结构的存在，负载较多的硫，同时其高比表面积展示出对单质硫分子和多硫化物很好的物理吸附能力，因此，制备不同结构形貌硫/碳复合材料用以改善硫正极材料的和导电性能，并抑制多硫化锂的溶解迁移，提高电极材料的导电性和循环性能。

目前，许多研究都集中在导电性良好的含孔碳质材料与单质硫与结合，来克服锂硫电池中活性物质单质硫导电性差和硫化中间产物溶解的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂硫电池硫/碳正极复合材料的制备方法，该方法制备过程简单，提高了单质硫的导电性，优化碳骨架的比表面积，为活性单质硫的负载和膨胀留出空间，同时阻挡多硫化物向电解液中溶解，提高硫电极的电性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池硫/碳正极复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）先配置出溶度为0.1mol/L的盐酸溶液，再配置浓度为0.1mol/L的三羟甲基氨基甲烷（Tris）溶液；取一定量的上述配置好的盐酸溶液和三羟甲基氨基甲烷（Tris）溶液，依次加入到一定量的去离子水中进行混合，混合后制得PH=8.5的缓冲溶液；向缓冲溶液中加入1ml的曲拉通X-100，超声波进行均匀分散后得到预反应溶液a；

（2）将一定量的盐酸多巴胺加入到步骤（1）中的预反应溶液a中，然后进行超声聚合反应，反应结束后过滤，得到固体状态的前驱体b；

（3）将步骤（2）中的前驱体b在Ar气氛下先升温至400℃，高温烧结3h，然后再升温至850℃，高温烧结3h，得到载硫碳基质材料c；

（4）将步骤（3）中的载硫碳基质材料c与单质硫按一定比例混合，随后进行研磨，研磨均匀以后在Ar气氛中密闭状态下，高温155℃保温12h，然后升温至300℃保温2h，最终得到硫/碳复合材料d。