一種鋰硫電池用碳/硫復合正極材料的制備方法和應用與流程

本發明屬于電化學領域，涉及鋰硫電池正極材料，特別涉及一種碳/硫復合正極材料及其制備方法和應用。

技術背景

隨著社會和科技的發展人類對電化學儲能技術的需求日益增大，研究人員都在尋找具有更高比能量的下一代二次電池。鋰硫電池以硫為正極活性物質，基于硫與鋰之間的可逆電化學反應來實現能量儲存和釋放，其理論比能量可達2600Wh/kg，是目前鋰離子電池的3-5倍，有望被應用于動力電池、便攜式電子產品等領域。但是鋰硫電池仍然不能商業化生產，這是由于電池自身的一些缺陷還沒有得到很好的解決，主要有：1)單質硫及其放電產物Li₂S₂/Li₂S是典型的電子和離子絕緣體，因此正極內部的電荷傳遞受阻，導致硫利用率低下，無法發揮其高理論比容量的優勢，同時傳荷效率低下也影響了電池的倍率性能等動力學性能的提升；2)電池中間產物多硫化鋰會溶于液態電解質中，造成活性物質硫的損失；3)充放電時硫體積的巨大變化會導致結構的不穩定和電極接觸不良。

因此，研究人員開發各種各樣的硫基復合材料來解決以上問題，尤其通過碳質材料的引入可以大幅提高鋰硫電池性能。將單質硫與具有高比表面積和高導電性的多孔碳納米材料高效復合得到的碳/硫復合正極材料中，納米碳質材料可形成高效的正極導電骨架結構，從而增加正極材料的導電性，提供電化學反應活性點，很大程度上克服硫、硫化鋰低電導率問題；另外納米碳質材料的獨特孔結構也可調變多硫化物的溶解、遷移和穿梭，減少活性材料的流失，從而提高鋰硫電池的容量保持率。目前常用的多孔碳材料多為活性炭、碳納米管、石墨烯等，所得到的復合正極材料雖然具有較穩定的電化學性能，但其制備非常復雜，制備成本較高，不利于大規模化工業生產。

技術實現要素：

本發明的目的之一在于提供一種鋰硫電池用碳/硫復合正極材料的制備方法及其在鋰硫電池中的應用。

為實現上述目的，本發明提供的技術方案為：一種鋰硫電池用碳/硫復合正極材，其特征在于，該復合材料由單質硫和多孔碳納米材料組成，其中多孔碳納米材料作為骨架，單質硫作為活性物質。所述的多孔碳材料是由多孔芳香骨架為碳源制得。

本發明所述的多孔碳納米材料是以多孔芳香骨架材料為碳源制備的，其特征在于，制備方法可以選擇已經公知的多孔碳材料的制備方法，也可以根據需要自行設計碳化程序。

本發明利用具有高孔隙度，高比表面積，高物理化學穩定性的多孔芳香骨架材料為前驅體，采用合適的碳化方法，在保持多孔芳香骨架材料孔道結構特征的同時，使材料碳化得到目標多孔碳材料，然后將這類多孔碳材料作為硫的載體，制得到碳/硫復合正極材料。由于多孔芳香骨架材料目前可以定向設計合成，因此可以通過對多孔芳香骨架材料選擇設計，實現多孔碳材料的定向合成設計。也即：本發明實際上提供了一種鋰硫電池用碳/硫復合正極材料的新方法。

本發明中，用于制備碳/硫復合正極材料的多孔碳的前驅體多孔芳香骨架材料，可以選擇現有技術中公知的多孔芳香骨架材料，也可以定向設計合成。優選那些具有高孔隙度，超高比表面積，高物理化學穩定性的多孔芳香骨架材料。

本發明利用優選的多孔芳香骨架材料為碳源制備的多孔碳作為硫的載體，制備鋰硫電池用碳/硫復合正極材料，后續制備的鋰硫電池表現出高的庫倫效率和循環穩定性。如：選擇PAF-45(Li.L，Cai.K，Wang.P，et al，ACS applied materials & interfaces，2014，7，201-208)作為碳源，制備鋰硫電池用碳/硫復合正極材料，并將其應用于鋰硫電池。

附圖說明

圖1是PAF-45的掃描電鏡圖片

圖2是實施例獲得的多孔碳材料的掃描電鏡圖片；

圖3是實施例獲得的碳/硫復合正極材料的掃描電鏡圖片；

圖4是實施例獲得的碳/硫復合正極材料作為鋰硫電池正極材料的電化學性能圖。

具體實施方式

為了進一步闡述本發明所采用的技術方案和有益效果，以下結合本發明的優選實施例及其附圖進行詳細描述。應當理解，所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明

本發明實施例提供了一種優選多孔芳香骨架材料(PAF-45)作為碳的前驅體制備的多孔碳作為硫的載體，制備鋰硫電池用碳/硫復合正極材料的方法，包括以下步驟：

步驟一：選取具有高比表面積和豐富微孔結構的多孔芳香骨架材料PAF-45作為碳的前驅體制備多孔碳。

1)稱取一定量的PAF-45在100℃下真空干燥兩小時，

2)將干燥后的PAF-45均勻分散于瓷舟中，放置在管式爐中，然后對管式爐連續通氬氣20分鐘，再在氬氣流下，以5℃/每分鐘的升溫速率，從室溫緩慢程序升溫到碳化溫度500℃，在此溫度下碳化5小時，得到多孔碳。

3)將得到的多孔碳在氬氣流下冷卻至室溫。

步驟二：通過熔融擴散法將所得的多孔碳和單質硫進行復合制備碳/硫復合正極材料。將步驟一所得的多孔碳材料與升華硫以質量比1∶3混合均勻。密封于反應釜中加熱至155℃保溫15h，得到碳/硫復合材料。

本實施例制備的多孔碳的掃描電鏡圖如圖2所示，通過和PAF-45的掃描電鏡圖片(圖1)比較，可以發現PAF-45經500℃碳化后形貌基本保持不變。與硫復合后，圖中沒有發現大顆粒硫的存在(圖3)，說明硫在制備的多孔碳中分布均勻。碳/硫復合材料在0.5C(837.5mA/g)電流密度下的電化學性能如圖4所示，首次放電比容量高達1211mAh/g，循環1000次后容量仍保持在310mAh/g之上，庫倫效率高達97％。

本實施例僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明。對于本領域的普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案和技術構思作出其他各種相應的改變和修飾，而所有這些改變和修飾都應屬于本發明權利要求的保護范圍。