[发明专利]一种锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫电池正极材料及其制备方法，特别是涉及一种均匀填充有硫纳米粒子的纳米介孔碳材料及其制备方法。

背景技术

随着煤炭、石油等主要天然资源的逐渐耗竭，能源危机已经成为人类未来必须解决的重大课题之一。目前绿色无污染的新型高能化学电源已成为世界各国竞相开发的热点。

锂硫电池具有十分广阔的应用前景，化学家们已经为此进行了近20年的研究。硫和锂被认为是最为理想的一种电池材料，这两种化学物质的结合不但能提供高密度的能量，在稳定性、安全性和寿命上也更为出色，而且与能用在锂电池中的其他材料相比，硫的成本相对较低，锂硫电池将成为安全、长寿以及低碳排放的能源。

单质硫的理论比容量为1675mAh/g，与锂组装成电池，理论比能量可达2600Wh/kg，符合电动汽车(EV)对电池的要求，也符合便携式电子产品对电池“轻、薄、小”的要求，将在锂二次电池中得到广泛应用。由于硫具有来源广泛(成本低)、理论比容量高、无毒(无污染)、环境友好等特点，锂硫电池成为人们研究的重点。

但电池正极的制造一直是困扰人们的一大难题，这部分在充放电中负责储存和释放电子，在这种可逆的电化学反应中为了实现较高的电流，必须使其中的硫与类似碳这样的导体紧密接触，而此前并无十分有效的方式。

发明内容

本发明正是基于上述背景之下，提供了一种锂硫电池正极材料。所述正极材料中，纳米硫粒子均匀填充于纳米介孔碳材料的空心纳米碳管中，使得硫与碳紧密接触。所述的纳米介孔碳材料的空心纳米碳管，每根碳管厚度为5-200纳米，孔径为2-100纳米。所述的硫纳米粒子粒度为2-100纳米。

相应地，本发明提供了一种硫与碳紧密结合的锂硫电池正极材料的制备方法，其步骤为：

(1)纳米介孔碳材料的制备：

按照重量比1∶0.01-0.1∶1-20∶0.1-2称取蔗糖，浓硫酸和水和模板剂二氧化硅，混合后均匀搅拌1～10小时；将混合物放入烘箱中，烘箱升温速率为每小时升温20℃，温度升至100～200℃，保持1～10小时；溶剂蒸发后，将混合物放入有惰性气体保护的高温反应釜中焙烧，高温反应釜升温速率为每小时升温100℃，温度升至500～1000℃，保持2～10小时；将焙烧后的混合物放入氢氧化钠溶液或者氢氟酸中搅拌1～20小时，使二氧化硅模板溶解，然后过滤、洗涤、干燥，得到内部为纳米空心碳管的纳米介孔碳材料。

(2)硫纳米粒子填充在纳米空心碳管中：

将纳米介孔碳材料与硫纳米粒子放入纳米高温高压蒸气混合机中，蒸气温度范围为100-600℃，以高温蒸气为载体使两者混合，纳米高温高压蒸气混合机升温速率为每小时升温40℃，升温至120～500℃，温度稳定后保持2-20小时，使熔化的硫均匀填充于纳米介孔碳材料的空心纳米碳管中。

本发明制备的锂硫电池正极材料容量大于1800mAh/g，500次循环容量保持80％以上。

具体实施方式

实施例一：

称取100g蔗糖，1g浓硫酸和100g水和10g二氧化硅，混合后均匀搅拌5小时；将混合物放入烘箱中，烘箱升温速率为每小时升温20℃，温度升至100℃，保持5小时；溶剂蒸发后，将混合物放入有惰性气体保护的高温反应釜中焙烧，高温反应釜升温速率为每小时升温100℃，温度升至1000℃，保持10小时；将焙烧后的混合物放入氢氧化钠溶液或者氢氟酸中搅拌10小时，使二氧化硅模板溶解，然后过滤、洗涤、干燥，得到内部为纳米空心碳管的纳米介孔碳材料。

将纳米介孔碳材料与硫纳米粒子放入纳米高温高压蒸气混合机中，蒸气温度范围为100-600℃，以高温蒸气为载体使两者混合，纳米高温高压蒸气混合机升温速率为每小时升温40℃，升温至200℃，温度稳定后保持5小时，使熔化的硫均匀填充于纳米介孔碳材料的空心纳米碳管中。

制备的锂硫电池正极材料容量为1850mAh/g，500次循环容量保持为81％。

实施例二：

称取100g蔗糖，10g浓硫酸、100g水和20g二氧化硅，混合后均匀搅拌5小时；将混合物放入烘箱中，烘箱升温速率为每小时升温20℃，温度升至200℃，保持5小时；溶剂蒸发后，将混合物放入有惰性气体保护的高温反应釜中焙烧，高温反应釜升温速率为每小时升温100℃，温度升至1000℃，保持5小时；将焙烧后的混合物放入氢氧化钠溶液或者氢氟酸中搅拌10小时，使二氧化硅模板溶解，然后过滤、洗涤、干燥，得到内部为纳米空心碳管的纳米介孔碳材料。