[发明专利]一种毛线球状碳/硫复合微球材料的制备方法及锂硫电池

说明书

本发明公开一种通过静电纺丝法制备毛线球状碳微球，并将这种碳微球载硫制备出碳/硫复合微球用于锂/硫离子电池正极材料。本发明中碳/硫复合微球制备方法如下：将选取纤维状碳材料或纤维状碳前驱体与粘结剂，剪切式搅拌均匀分散在溶剂中，通过静电纺丝处理成毛线球状碳前驱体微球，然后进行炭化处理得毛线球状碳微球。将得到的毛线球状碳微球与单质硫在管式炉中加热制得碳/硫复合微球材料，并用作锂硫电池的正极材料。本发明的碳及其复合材料制成的锂/硫离子电池正极材料比常规碳材料具有更优良的形貌及性能，用作锂硫电池正极材料时，具有高的首次放电比容量，容量保持率佳，而且制备方法简单易行、成本低、绿色环保，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，更具体的，涉及一种毛线球状碳/硫复合微球材料的制备方法及锂硫电池。

背景技术

随着世界能源的消耗需求不断增长，可开发利用的石油资源日益枯竭，而环境污染却日益严重，因此利用电化学储能技术将清洁的太阳能，风能储存再利用无疑是人类在21 世纪解决这一问题的最有效途径；另外影响人们生活的移动电子设备、电动汽车等也都对未来电化学储能技术提出了更高的要求。这些都需要安全、低廉、高能量密度和长寿命的二次电池来实现。在诸多储能方式中，锂离子电池以质量轻、容量高和无记忆效应等优点，在当今储能工业占据核心地位。

锂离子电池使用石墨材料作为负极，磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等含锂金属氧化物作为正极，利用锂离子在正负极之间的“摇椅效应”来贡献容量，目前现有的二次锂离子电池自身理论比容量将近300mAh/g，即便如此也难以达到人们所需的二次电池的要求，同时燃料电池在短时间内还较难实用化，因而具有2600Wh/kg理论比能量的锂硫电池成为目前的研究发展对象。

锂硫电池以单质硫作为正极，金属锂作为负极，其中单质硫的理论比容量就达到1680mAh/g，且单质硫价格低廉、资源丰富，对环境友好，在一定程度上可以替代锂离子电池，但是锂硫电池的实际比容量远远小于理论比容量，因此限制了它大规模的运用。造成这个现象的主要原因是锂硫电池在充放电循环的过程中，聚硫化物易溶于电解液中，在循环终止时，并没有全部转化成最终产物，造成了有效物质的损失，同时由于聚硫化物的溶解造成的“飞梭效应”，使得锂硫电池的容量大幅度降低。因此发明出能改善锂硫电池“飞梭效应”的正极材料十分迫切。

由于单质硫作为正极材料的一系列不足，科研人员利用碳材料与单质硫复合作为正极活性物质的研究最为普遍。碳材料具有良好的导电性，其结构也能对多硫化物的迁移扩散起到抑制作用。近几年常用来作为科研对象的碳材料有：乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、空心碳，多孔碳等，这些材料都在不同程度上改善和提高了锂硫电池的放电容量和循环效率。其中，空心碳球、碳管具有更大内部空间，可以容纳多单质硫和电解液，将充放电反应抑制在内腔中，使得聚硫化物难以脱离碳壳，此外，由于单质硫被包覆在碳球中，材料颗粒之间直接接触，因此不需要额外地添加导电剂，从而增加了正极活性物质的含量。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种毛线球状碳/硫复合微球材料的制备方法。

本发明另一目的在于提供一种毛线球状碳/硫复合微球材料。

本发明第三目的在于提供一种以毛线球状碳/硫复合微球材料为正极材料的锂硫电池。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种毛线球状碳/硫复合微球材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.将纤维状碳材料或纤维状碳材料前驱体与粘结剂按2~4：1混合，先进行剪切式搅拌使其均匀分散，然后加入溶剂中，进行超声分散，得均匀混合溶液；

S2.采用静电纺丝技术将步骤S1得到的混合溶液制备得到毛线球状碳前驱体微球，然后在惰性气体氛围下进行炭化处理，得到毛线球状碳微球；