[发明专利]用于锂硫电池的硫碳复合物、制备所述复合物的方法以及包含所述复合物的电极材料和锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及硫碳复合物，其包含热解微孔碳球(PMCS)基底和加载于所述热解微孔碳球(PMCS)基底中的硫；以及制备所述硫碳复合物的方法、包含所述硫碳复合物的电极材料和锂硫电池。

背景技术

锂硫(Li/S)电池的理论容量几乎比LiFePO₄高出一个数量级。然而，Li/S系统在许多应用中尚未实现，这是因为在硫正极材料可以实际用于可再充电的锂电池之前仍然需要解决以下问题：1)硫的粒径应当尽可能细小以确保高的硫利用率以及在循环时高的可逆容量；2)应当小心地防止多硫化物的放电产物溶解进入电解质中以确保长的循环寿命；及3)应当提高正极材料的电导率以确保更好的倍率性能。

在一些之前的工作中，将有序的介孔碳基底或空心碳球用于制备Li-S电池的硫碳复合物，然而无法完全避免多硫化物的溶解，而且制备过程过于复杂以至于无法工业化。

发明内容

因此，本发明的目的是提供具有改善的电化学性能的高能量密度Li-S电池，从而可以解决上述问题。

该目的是通过硫碳复合物实现的，其包含热解微孔碳球(PMCS)基底和加载于所述热解微孔碳球(PMCS)基底中的硫。

根据本发明的另一个方面，提供制备硫碳复合物的方法，该方法包括以下步骤：

1)提供热解微孔碳球(PMCS)基底；及

2)加载硫至所述热解微孔碳球(PMCS)基底以获得硫碳复合物。

根据本发明的另一个方面，提供电极材料，其包含根据本发明的硫碳复合物。

根据本发明的另一个方面，提供锂硫电池，其包含根据本发明的硫碳复合物。

附图说明

参照本发明的实施方案的以下描述并连同附图，使本发明的上述的及其他的特征和优点以及获得它们的方式更加清楚，并且使本发明本身更容易理解，其中：

图1所示为根据本发明的聚苯乙烯(PS)纳米球的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图2所示为根据本发明的磺化聚苯乙烯(SPS)纳米球的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图3所示为根据本发明的碳涂覆的磺化聚苯乙烯(SPS@C)纳米球的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图4所示为根据本发明的热解微孔碳球(PMCS)基底的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图5所示为根据本发明的硫碳复合物(硫加载率：50.23重量％)的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图6所示为根据本发明的硫碳复合物(硫加载率：50.23重量％)的透射电子显微镜(TEM)照片；

图7所示为根据本发明的硫碳复合物(硫加载率：50.23重量％)的元素分布映射图；

图8为显示根据本发明的硫碳复合物(硫加载量：50.23重量％)在0.1C的充放电倍率下的循环性能的曲线图；及

图9为显示根据本发明的硫碳复合物(硫加载量：50.23重量％)在0.1C的充放电倍率下在不同循环中的充放电曲线的曲线图。

具体实施方式

本发明涉及硫碳复合物，其包含热解微孔碳球(PMCS)基底及加载于所述热解微孔碳球(PMCS)基底中的硫。

在根据本发明的硫碳复合物中，热解微孔碳球(PMCS)基底的BET比表面积为400–1000m²/g，优选为550–800m²/g；孔容为0.3–3.0cm³/g，优选为1.2–3.0cm³/g，更优选为1.3–2.0cm³/g；平均孔径为0.4–1.0nm，优选为0.5–0.7nm。该微孔结构有利于提高硫的利用率，还有利于限制多硫化物向电解质中溶解，因此改善了硫的循环稳定性。

在根据本发明的硫碳复合物中，热解微孔碳球(PMCS)基底的直径为200–800nm，优选为300–600nm。

在根据本发明的硫碳复合物中，热解微孔碳球(PMCS)基底具有空心球结构。

在根据本发明的硫碳复合物中，硫优选在纳米级水平上或者甚至在分子级水平上(考虑到单个S₈的直径约为0.7nm)精细地分散在热解微孔碳球(PMCS)基底中，这保证了高的硫的电化学活性和利用率。

均基于硫碳复合物的总重量，根据本发明的硫碳复合物的硫加载量为20–90重量％，优选为25–80重量％，更优选为30–75重量％，特别优选为33–60重量％。

本发明还涉及制备硫碳复合物的方法，该方法包括以下步骤：