[发明专利]多孔碳材料及其制备方法、多孔碳/硫复合材料、电池正极材料、锂硫电池及其应用

说明书

本发明提供了一种多孔碳材料及其制备方法、多孔碳/硫复合材料、电池正极材料、锂硫电池及其应用，属于电池能源材料技术领域。本发明提供了一种多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将有机配体、金属盐、碳源和表面活性剂加入溶剂中，进行溶剂热反应，得到MOFs@C复合材料，对MOFs@C复合材料进行热处理，得到多孔碳材料。该方法将MOFs材料作为造孔剂材料和碳源复合经高温烧结制备多孔碳材料，MOFs材料在高温下，金属离子汽化从而在碳材料内部造孔，制备的多孔碳材料孔结构比较丰富，具有分级多孔结构，且孔容量大，结构强度也优于一般的多孔碳材料，适合高硫量的负载，可以极大的提高电池的循环性能和能量密度。

技术领域

本发明属于电池能源材料技术领域，具体涉及一种多孔碳材料及其制备方法、多孔碳/硫复合材料、电池正极材料、锂硫电池及其应用。

背景技术

锂离子电池在当今社会中的应用越来越广泛，智能手机、笔记本电脑、数码相机等3C类产品在人们日常的生活中扮演的角色越来越突出，且随着化石燃料的逐渐枯竭以及新能源行业的发展如火如荼，传统的电池系统如铅酸电池、镍氢电池等已经不能够满足人们对于高比容量、长循环寿命以及快速充放电等优点的电池系统的要求及需求。特别是近年来新能源汽车的发展成为了人们关注的焦点，车用动力电池系统对电池的容量大小、能量密度、续航时间、快速充放电能力以及安全性方面提出了更高的要求，传统的锂离子二次电池如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等都存在容量有限、能量密度小以及续航时间比较短的问题。

目前，研究比较火热的以镍钴锰三元材料为正极材料的锂离子二次电池在理论上可以实现高比容量、大的能量密度和长的循环时间等要求，但由于镍钴锰三元正极材料中不可缺少的Co的储量少，价格昂贵，高镍的镍钴锰三元正极材料技术还不够成熟，使得镍钴锰三元正极材料在动力电池领域还存在一些问题。

锂硫电池是一种以硫为正极材料，金属锂为负极的二次电池系统，因其具有高的理论比容量(1675mAh/g)和高的质量比能量(2600 Wh/kg)成为一种潜在的动力电池体系。而且单质硫还具有价格低廉、低毒性、环境友好等优点，是一种极具开发价值和应用价值的动力锂离子电池正极材料，锂硫电池有望成为解决目前新能源汽车动力需求的一种电池系统。

而目前锂硫电池在实际应用方面仍存在着许多问题，一方面是单质硫的导电性极差，导致锂硫电池在实际循环过程中比容量较低且库伦效率不高，电极材料的极化比较严重；另一方面由于硫正极在锂硫电池放电过程中并不是简单的一步还原反应而是多步的还原反应过程，其会产生易溶于电解液的多硫化物中间产物，造成活性物质的丢失，最终导致电池的容量衰减较快，破坏了电池系统的循环稳定性。同时，在锂硫电池的充放电过程中，电极材料存在着一定的体积膨胀，给电池的实际应用带来一定的安全隐患。

目前针对锂硫电池存在的这些问题，主流的设计方法都是采用将硫与导电性好的、具有孔道结构的材料进行复合或者包覆来制备成含硫复合正极材料，如碳纳米管(CNT)、聚苯胺(PANI)、多孔碳(PC)等材料，其中将硫负载于多孔碳制备出多孔碳/硫复合材料的方法是效果较好、制备简单的一种。目前制备多孔碳的方法，一种是将含碳材料(如蔗糖)等碳源与硝酸锌等金属盐或者氢氧化钠等碱按一定比例混合到一起研磨均匀，在高温下煅烧便可得到多孔碳；另一种是通过直接高温煅烧金属有机骨架材料(MOF)的方法来得到多孔碳。这两种方法制得的多孔碳大多孔道结构单一，孔体积小。通过MOF材料直接高温碳化得到的多孔碳，其结构极不稳定，很容易发生坍塌和破碎。

专利CN201510456565.5公开了一种锂硫电池用多孔碳球及其制备方法和应用，该专利中公开了锂硫电池用的多孔碳的制备方法，该发明是采用低压化学气相沉积法制备Si-C-O颗粒为模板剂，然后高温碳化制备出由带状石墨无序缠绕的多孔碳球，后将其载硫应用到锂硫电池正极材料中，但这种方法得到的电池正极材料在循环过程中衰减较快，循环的稳定性一般，电极材料的结构稳定性不好，且制备过程相对复杂不利于产业化生产。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容