[发明专利]一种含磷碳纳米管/硫复合材料的制备方法和锂硫电池

说明书

本发明提供了一种含磷碳纳米管/硫复合材料的制备方法和锂硫电池，主要的技术方案为：将碳纳米管和磷酸酯类衍生物混合后进行研磨处理，升温至600‑700℃并碳化处理，制得含磷碳纳米管；将含磷碳纳米管与升华硫混合，并进行研磨处理后在155‑160℃下恒温加热，再升温一段时间后冷却，得到产物含磷碳纳米管/硫复合材料。本发明通过含磷元素的磷酸酯类衍生物与碳纳米管进行作用得到含磷碳纳米管，然后使含磷碳纳米管与硫单质进行复合得到锂硫电池用的正极复合材料，该复合材料可以较好的传导电子，并通过碳纳米管及P元素的吸附作用有效地固定锂硫电池中硫元素，提高了锂硫电池的库伦效率。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体而言，涉及一种含磷碳纳米管/硫复合材料的制备方法和锂硫电池。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、良好的循环性能、无记忆效应、工作温度范围广等优点，但随着科技的发展，便携式电子设备、能源、通信、交通、军事、航天等领域的迅速发展对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的应用要求，现有的商业化锂离子电池限于其正极材料本身的理论比容量，能量密度有限，暂时无法满足这些要求。近年来，锂硫电池以其高达1675mAh/g的理论比容量、2600Wh/kg 的理论比能量（与金属锂组成电池）成为研究热点，其理论比容量比目前商用锂电池高出约一个数量级。同时，硫具有储量丰富、无毒环保等特点，具有极高的应用潜力。然而，就目前技术水平而言，锂硫电池仍存在许多较难解决的技术难题和不足之处，这些问题表现在锂硫电池的库伦效率较低、循环性能差、自放电率高等方面。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种含磷碳纳米管/硫复合材料的制备方法和锂硫电池，旨在解决现有锂硫电池库伦效率较低的问题。

本发明第一方面提供了一种含磷碳纳米管/硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将质量比为（2-4）:（1-3）的碳纳米管和磷酸酯类衍生物混合后进行研磨处理，将处理后的混合物升温至600-700℃并碳化处理1-2 h，制得含磷碳纳米管。

具体而言，磷酸酯类衍生物为磷酸酯、亚磷酸脂、亚磷酸三乙酯、亚磷酸三甲酯和亚磷酸三苯酯中的任意一种或多种。

为了确保碳纳米管和磷酸酯类衍生物成分反应使得P元素更好的掺入碳纳米管中，碳纳米管和磷酸酯类衍生物的质量比优选为（2-3）: （1-2）；进一步优选为2:1。实际中，碳纳米管和磷酸酯类衍生物的质量比可以为4:3、3:2、2:1等。

具体实施时，将所述碳纳米管和磷酸酯类衍生物的混合物在400r/min的转速下进行球磨处理。更具体的，可以先进行顺时针球磨，再进行逆时针球磨，球磨约5小时。优选的，所述碳纳米管和磷酸酯类衍生物的混合物混合物与磨球的质量比为20:1。

步骤1中，为了使得保证碳化的效果，碳纳米管和磷酸酯类衍生物的碳化温度优选为630~670℃，更优选为650℃；由于反应时间过长，会有副产物产生，因此碳化时间优选为1.25~1.75h，更优选为1.5h。

由于碳纳米管（CNT）具有纯度高、表面洁净度好、导电性能优异等特点，其管间范德华力较强，可以相互连接成导电网络，有利于增强电极的导电性，同时也可作为基底吸附硫原子。磷元素具有5个价电子，有利于其与碳原子形成较强的价键，因此二者掺杂能增加碳材料的自由电荷的传递密度和增强电或热的传导性。本发明实施例中，以PCNT代表含P碳纳米管。

步骤2，将质量比为（2-3）: （0.75-1.5）的含磷碳纳米管与升华硫混合，并进行研磨处理后装入容器中，对容器进行密封处理后在155-160℃下恒温加热10-14h后，将温度升高至200-210℃再处理1-2h后冷却，得到含磷碳纳米管/硫复合材料。