[发明专利]一种三维多孔碳纳米片-硫材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种三维多孔碳纳米片‑硫材料，由三聚氰胺、植酸和硫为原料，通过溶液混合法和高温热解法合成三维多孔碳纳米片，再通过熔融法获得三维多孔碳纳米片‑硫材料，所述三维多孔碳纳米片‑硫材料的硫含量为80‑90%。其制备方法包括以下步骤：1）热解法制备三维多孔碳纳米片；2）熔融法制备三维多孔碳纳米片‑硫正极材料。其中，采用二段热解和二段热处理。作为锂硫电池正极的应用，当电流密度为838 mA/cm²时，循环充放电200次后，放电比容量为600‑700 mAh/g，库伦效率较稳定接近100%；当电流密度为1675 mA/g时，循环充放电500次后，放电比容量为400‑600 mAh/g，平均每次衰减率为0.079%。本发明具有以下优点：具有高含硫量、抑制多硫化物溶解；降低电池容量衰减，改善循环性能。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体是一种三维多孔碳纳米片-硫材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会发展，人类对于能源的需求逐渐增大。然而随着对煤、石油、天然气等化石燃料资源近200年的持续加速开采，资源已逐步趋于耗竭。因此，能源问题和环境问题成为全球关注并迫切需要解决的问题。发展具有高能量、高密度、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。锂硫电池是二次电池体系中具有较高能量密度的一种，采用单质硫或含硫材料作为正极活性物质，其理论能量密度达2600Wh/kg，且具有硫资源丰富、环境友好、价格便宜等优点。高硫含量的锂硫电池具有高的容量密度和能量密度有利于电动汽车的需求，能够实现克服锂离子电池能量密度不能满足电动汽车的技术问题。

单质硫为绝缘体的缺陷是锂硫电池主要问题的根源所在，因而正极材料的研究成为高性能锂硫电池开发的关键。为应对以上挑战，通过将硫单质与良好导电性能及特定结构基体复合可大大克服硫导电率低的问题，减小体积膨胀和“穿梭效应”进而改善其电化学活性的有效途径，同时利用载硫材料对多硫化锂的物理或化学吸附作用可以有效抑制中间产物溶出，从而改善复合正极的循环稳定性。针对硫正极的复合改性，研究者们设计合成了一系列复合硫正极材料，有效提高了锂硫电池的电化学性能，用于锂硫电池复合的基质材料一般可分为三类：碳材料、无机化合物、导电聚合物。

在碳材料中，石墨烯衍生物具有单层碳原子厚度和无质量的狄拉克费米子，以其高比表面积、优异的电子导电性和力学性能、良好的化学热稳定性，成为锂硫电池应用中负载硫的有效基底。研究人员已经证明，将硫包裹在石墨烯薄片中形成二维石墨烯/硫复合材料，可在一定程度上避免硫本身的绝缘性，且其机械强度可抑制硫的体积膨胀，大大提高循环性能。然而，由于其为单层开放的结构，对硫的储存量不高、无法捕获多硫化物，导致负载的硫含量较低、库伦效率低、循环稳定性有限。

因此，将石墨烯纳米片组装成具有三维立体结构，且内部具有较大的反应空间、和抑制多硫化物溶解于电解液，有利于电子和离子在三维空间的反应与传输，是一种很有前途的包裹或锚固硫的载体材料，用于制备优良的锂硫电池复合正极。

Jiang 等人通过一步水热法合成了一种三维多孔石墨烯气凝胶/硫（GA-S）纳米复合材料 (Yong Jiang, Mengna Lu, Xuetao Ling, et al. One-step hydrothermalsynthesis of three-dimensional porous graphene aerogels/sulfur nanocrystalsfor lithium–sulfur batteries-ScienceDirect. Journal of Alloys and Compounds645(2015):509-516.)，以抑制硫电极的容量快速衰减。在电流密度为1 A/g下，循环50次后比容量有517.49 mA h/g，该材料载硫量为73.69%。