[发明专利]一种碳硫复合薄膜、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种碳硫复合薄膜、制备方法及其应用，该碳硫复合薄膜的内部结构为多孔碳包覆单质硫。该材料可在电池正极材料、药剂合成等多个领域进行应用。如在用作电池正极材料时，无需额外使用导电剂和粘结剂，可以有效提高锂硫电池的面积容量和能量密度，赋予电池产品更高、更稳定的充放电比容量和更长的循环稳定性；同时，可以更好地抑制硫及放电产物溶于电解液，降低“穿梭效应”，提高电池的循环稳定性和容量保持率。相较于传统的载硫方法，本发明的原位生成硫的方法不但工艺简单，还可以实现硫全部被碳包覆，同时留下一定的空隙，为硫在锂化和脱锂过程中的体积变化留下足够的空间，避免电极粉化。

技术领域

本发明涉及一种碳硫复合薄膜，同时还公布了其制备方法以及应用，属于新材料技术领域。

背景技术

锂电池（Lithium battery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。经过多年的发展，锂电池已经成为二次电源中的主导产品，其应用水平普遍达到了正极比容量250 mAh g^-1，接近锂离子电池电极材料理论比容量的极限（约300mAh g^-1）。但是，随着新能源技术飞速发展，普通锂离子电池的能量密度已经难以满足目前大容量储能技术的需求，市场上出现了诸如锂硫电池这类新型的锂电池。锂硫电池凭借其高能量密度、无污染、成本低等优势，成为未来动力电池的最佳选择之一。早在1962年，Herbet等人首次提出利用元素硫作为新的正极材料这一概念。

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。锂硫电池的理论能量密度为2600 Wh kg^-1，远高于目前锂离子电池的能量密度。单质硫的理论比容量可达1675 mAh g^-1，是已知的理论比容量最高的固体正极材料。不仅如此，单质硫还存在价格低廉、存储量大、无污染等诸多优点，因此锂硫电池被认为是极具开发潜力的高能量密度储能体系。尽管锂硫电池拥有如此多的优点，但是单质硫与放电产物Li₂S 的电绝缘性、放电过程中硫的体积膨胀及电化学反应中间产物多硫化物（Li_PSs）的“穿梭效应”等问题降低了电极活性物质的利用率和电池的循环寿命，严重阻碍了锂硫电池的商业化进程。

另外，载硫工艺复杂也是制约锂硫电池商业化发展的一个重要因素。目前，现有技术中普遍采用的是 “两步熔硫法”制备硫碳复合物：首先将硫加热到115 ℃使其熔融，使液态的硫进入多孔碳的空隙中，随后进行300℃热处理以去除没有进入多孔碳空隙内的硫。该工艺过程工艺比较复杂，需要抽真空及加热处理，且耗时比较长。

为了解决单质硫及其放电产物导电性差的问题，目前常采用添加高比表面的纳米导电剂的方法，但这会降低电极的面积载硫量和比容量。为了解决多硫化物（LiPSs）的“穿梭效应”问题，有研究采用导电聚合物（如聚吡咯，聚苯胺，聚噻吩等）对硫正极进行包覆；也有研究采用具有较强吸附能力的多孔插层置于隔膜与正极之间，阻止多硫化物的“穿梭效应”；还有技术采用在正极中添加吸附能力较强的添加剂（如纳米的氧化镧，二氧化硅等）吸附多硫化物，抑制其溶于电解液。这些方法客观上对抑制多硫化物溶于电解液有一定的效果，能够在一定程度上改善锂硫电池的循环稳定性，但也存在诸如工艺过程复杂，成本较高、降低了硫电极的导电性及反应的电化学活性等问题，难以进行商业化进程的推广。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供了一种面积载硫量高、对硫包覆效果好的的碳硫复合薄膜；

目的之二在于提供了该碳硫复合薄膜的制备方法，原位生成单质硫，优化了载硫效果，简化了载硫工艺；

目的之三还在于提供了该碳硫复合薄膜的应用。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

本发明首先公布了一种碳硫复合薄膜，该材料的内部结构为多孔碳包覆单质硫，其中碳呈多孔状，单质硫分布于碳的孔道内。

优选地，前述碳硫复合薄膜为原位生成硫的自支撑碳硫复合薄膜，薄膜厚度为1~1000μm。