[发明专利]一种锂硫电池正极材料的载体及其应用

说明书

本发明涉及一种锂硫电池正极材料的载体及其应用，所述锂硫电池正极材料的载体为介孔碳，所述介孔碳的孔体积大于等于2.3cm³/g，是由废弃的聚氨酯泡沫填缝剂经加热、活化、碳化、洗涤后获得，所述聚氨酯泡沫填缝剂已经完成固化反应。本发明聚氨酯泡沫填缝剂作为原料，通过简洁的工艺方法制成介孔碳材料，比表面积大于等于2200m²/g，介孔率大于90％，可以做为锂硫电池的正极材料的载体，显著提高硫的负载量以及锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂硫电池领域，尤其是一种锂硫电池正极材料的载体及其应用。

背景技术

新能源汽车和新型电子设备的发展对动力电池和移动电源设备提出更高的需求。现有的二次电池能量密度有限，已无法满足需求。单质硫因其理论比容量高达1675mAh/g，使锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg，是新型二次电池的重要备选，受到了格外关注。但单质硫导电性差，充放电过程中体积变化巨大，因此作为可充电的电池循环性能不佳。现有技术中将单质硫与多孔碳材料进行复合制备锂硫电池正极材料，到目前为止，已有石墨烯、碳纳米管、中空碳纳米球、介孔碳球等作为锂硫电池电极活性物质的载体，并表现出各自的优势。

其中，介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料，2nm<孔径<50nm,具有巨大的比表面积(现有可高达2500m²/g)和孔体积(现有可高达2.25cm³/g)。介孔碳材料由于特殊的孔结构,不仅为单质硫提供负载场所,而且其较强的毛细吸附作用可有效抑制多硫化物的溶解，但有序介孔碳的合成过程较复杂，需要用到价格昂贵的模板剂、造孔剂，因此其大规模应用受到限制。

另一方面，硫与碳结合制成电池材料后，经过若干次充放电过程，会出现放电比容量的大幅下降。硫电极的充电和放电反应较复杂，目前对硫电极在充电和放电反应中产生的中间产物还没有明确的认识，因此无法准确找到锂硫电池放电比容量的大幅下降的根本原因。目前一般认为是充放电过程中反应物质体积变化大引起内部结构崩塌造成。

聚氨酯泡沫填缝剂是一种常用的建筑修补材料，施工时通过配套施胶枪或手动喷管将气雾状胶体喷射至待施工部位，短期完成成型、发泡、粘结和密封过程，聚氨酯泡沫填缝剂固化形成泡沫弹性体具有粘结、防水、耐热胀冷缩、隔热、隔音甚至阻燃等优良性能，广泛用于建筑门窗边缝、构件伸缩缝及孔洞处的填充密封。随着工程项目的大量推进，聚氨酯泡沫填缝剂所形成的泡沫弹性体带来了极大的环境污染，其在自然条件下不能降解，由于本身体积较大，加上每年新增废弃聚氨酯泡沫填缝剂约500多万吨，如何开拓该废料的资源再利用方式成为亟待解决的问题。

通常，人们将废弃的聚氨酯泡沫填缝剂收集后进行拆解，包括人工和机械两种方式，主要是去除金属碎屑、污染物等，劳动强度很大，拆解会进行破碎、分选、再加工等，回收有价值的塑料颗粒后作为低级塑料的生产原料。通常这种方式的回收，前期投资较大，分选技术稳定性差，难以推广，且目标产品价值较低，市场容量有限。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种锂硫电池正极材料的载体及其应用。

本发明利用废弃的聚氨酯泡沫填缝剂经加热、活化、碳化、洗涤后获得介孔碳，运用于锂硫电池正极材料，利用已经完成固化反应的聚氨酯泡沫填缝剂具有特定孔隙结构，其原材料廉价易得，通过简洁的工艺制备介孔碳材料，无疑对促进锂硫电池正极材料的发展具有重要意义。

如何获得介孔级别的碳材结构是本发明要解决的关键问题之一。由于硫原子体积较大，在锂硫电池正极材料的复合过程中，硫元素在碳材料的微孔之内迁移困难，容易造成空间阻碍。为了提高载硫量，其载体的孔径需要存在较高比例的介孔。通常碳源经过高温碳化，所形成的多孔材料具有微孔结构(孔径小于2nm)，不能作为硫的载体，这也就是目前普通碳源需要添加模板剂、造孔剂才能获得适用于锂硫电池的原因。