[发明专利]一种仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料及其制备方法、锂硫电池正极及电池

说明书

本发明提供了一种仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料及其制备方法、锂硫电池正极及电池。本发明先通过水热法获得含羞草状形貌的硫化镉，再通过以多巴胺为碳源包裹碳层，然后用盐酸洗掉硫化镉，最后通过熏硫的方式负载硫颗粒，最终获得碳负载硫的含羞草状复合材料。含羞草状结构有助于硫复合，同时碳提供大量活性位点，抑制多硫化物穿梭。该材料应用于锂硫电池正极材料，具有良好的循环稳定性和高的比容量。与现有技术相比，本发明通过水热法制备的前驱体呈现含羞草状，含羞草状结构比表面积大，可以负载更多硫颗粒，而且，含羞草状结构有利于电子传输，缓解充放电过程的体积膨胀，提高电池性能。并且，实验过程简单，原料价廉易获取。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种无机纳米颗粒的制备方法，具体为一种仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料及其制备方法、锂硫电池正极及电池。

背景技术

工业革命以来高消耗、高消费的经济增长模式在创造了巨大的物质财富之后也让人类尝到了苦果，不可再生能源存储量日益减少、气候环境日益恶劣、生态系统越来越脆弱。发展具有高能量密度、长循环寿命、高安全性、绿色环保和低成本的二次电池在新能源领域具有重大意义。

锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池，其理论比能量高达(2600Wh Kg^-1)和较高的理论比容量(1675mAh g^-1)，远高于目前商业化的锂离子电池。近年来，锂硫电池因具有高能量密度、髙理论容量、单质硫资源丰富、价格低廉以及环境友好等特点，成为高能新型电池的主要研究方向之一。又因其电极材料单质硫廉价且资源丰富又环境友好,使得锂硫电池体系极具商业价值。

然而,锂硫电池却面临很大的挑战：由于单质硫正极材料及其放电产物硫化锂导电性差，充放电过程中的体积效应以及“穿梭效应”，而且在充放电过程中与锂离子形成的多硫化物易溶于有机电解液中等问题，致使电池中硫的利用率低、循环性能差、容量衰减快、倍率性能差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料。合理的含羞草结构具有大的比表面积，有利于电子传输，可负载更多的活性物质。

本发明另一目的在于提供一种仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料的制备方法，利用价格低廉的原料制备得到硫化镉，再通过以多巴胺为碳源包裹碳，再去除硫化镉，得到空心碳纳米材料，之后负载硫获得锂硫电池正极材料。制备工艺简单、产率高、成本低。

本发明还有个目的在于提供一种锂硫电池正极，采用上述仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料制成。

本发明最后一个目的在于提供一种电池，包括上述锂硫电池正极。

本发明具体技术方案如下：

一种仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将镉盐与硫脲混合在水中，再加入二甲亚砜，混合均匀后，水热反应，得到硫化镉材料；

2)将步骤1)制备的硫化镉材料分散在水中，加入三羟甲基氨基甲烷后，再加入盐酸多巴胺，得到混合溶液，反应，结束后，得硫化镉/碳纳米材料；

3)将步骤2)制备的硫化镉/碳纳米材料在氮气氛围下焙烧，自然冷却到室温，制得硫化镉/碳颗粒；

4)将步骤3)制备的硫化镉/碳颗粒加入稀盐酸溶液中，搅拌，获得空心含羞草状碳颗粒；

5)将步骤4)制备的空心含羞草状碳颗粒与硫粉混合均匀，在氩气气氛下熏硫，得到仿生结构含羞草状碳负载硫的复合材料。

步骤1)中将镉盐与硫脲混合在水中，所述镉盐中浓度为0.01～0.05mol/L，优选0.02～0.04mol/L；

进一步的，步骤1)中所述镉盐为氯化镉；