[发明专利]碳硫复合物的制备方法、由此制备的碳硫复合物及包含其的电化学装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳硫复合物的制备方法、由此制备的碳硫复合物及包含其的电化学装置。

背景技术

随着移动电子设备的快速发展，对二次电池的需求日益增加。特别是，迫切需要具有高能量密度的电池以适应减小移动电子设备的尺寸、重量和厚度的趋势，电池需要满足廉价、安全和环保方面的要求。

锂硫电池是二次电池，其使用具有硫-硫结合(Sulfur-Sulfur combination)的硫系化合物作为正极活性材料，并使用碳系材料作为负极活性材料，锂等碱金属或锂离子等金属离子在所述碳系材料中进行嵌入或脱出。它们通过氧化-还原反应存储和产生电能，其中S的氧化数在还原过程中(放电时)随着S-S键的裂解而减少，在氧化过程中(充电时)S的氧化数增加，随之重新形成S-S键。

然而，锂硫电池体系尚没有成功商用化的例子。锂硫电池体系尚没有商用化的原因主要是，当使用硫作为活性材料时，由于利用率低，即与投入的硫的量相比，电池中参与电化学氧化还原反应的硫的量低，因此实际上电池容量低，而不像理论容量那样。另外，一般而言，硫原子是不具有导电性的非导电材料，因此，为发生电化学反应，应使用可以提供平稳电化学反应位点的导电材料。目前已知的使用硫原子的正极结构具有这样的结构：其中硫粉和作为导电材料的碳粉各自独立存在，并简单地混合，位于正极活性材料层(混合)，如美国专利第5，523，179号和第5，582，623号中所述。然而，在该结构中，充电或放电时，硫转化为多硫化物，以液相流出到电解质中，导致电极结构瓦解，因此它对锂硫电池的容量和寿命性能带来不利影响。

为了解决上述问题，在研究一种通过向正极活性材料浆料中添加可吸附硫的添加剂来延迟正极活性材料流出的方法。日本专利特开平9-147868号(1997年6月6日)中，使用活性炭纤维作为用于此目的的吸附剂，美国专利第5，919，587号中公开了一种在高度多孔且具有纤维状超细海绵(highly porous,fibrous and ultra fine sponge like)结构的过渡金属硫属元素化物之间填充(embed)正极活性材料、或者用过渡金属硫属元素化物包裹(encapsulate)正极活性材料的方法。

然而，这些现有技术存在的问题是，无法大幅提高锂硫电池的容量性能和寿命性能。

发明内容

技术问题

为解决上述的现有技术问题，本发明的目的在于提供一种新的碳硫复合物的制备方法。

此外，本发明的目的在于提供一种通过所述方法制备的碳硫复合物及包含其的电化学装置。

技术方案

为了实现上述问题，本发明提供一种碳硫复合物的制备方法，所述方法包括以下步骤：

生成有机硅微细颗粒；

将所述有机硅微细颗粒和碳前驱体混合并进行水热反应，从而形成悬浊液；

干燥所述悬浊液后在惰性气体氛围下进行热处理；

将所述热处理颗粒浸渍到蚀刻溶液中而除去内部硅；

通过热处理所述内部硅溶解的有机硅微细颗粒，从而制备中空碳颗粒；及

使硫填充到所述中空碳颗粒中。

在本发明中，其特征在于，在生成所述有机硅微细颗粒的步骤中，向溶剂中添加有机硅以及向添加有机硅的溶液中添加碱性催化剂来实施有机硅缩聚反应。

在本发明中，其特征在于，所述有机硅选自由以下组成的组：3-疏丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)、苯基三甲氧基硅烷(PTMS)、乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)、3-环氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)、(3-三甲氧基硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(TMSPMA)、3-疏丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)和(3-三甲氧基硅烷基)丙基异氰酸酯(TMSPI)。

在本发明中，其特征在于，所述溶剂选自由水、醇和其混合物组成的组。

在本发明中，其特征在于，所述碱性溶剂是含有氨基和羟基的化合物或者其水溶液，选自由氨水、氢氧化钠、烷基胺和其混合物组成的组。

在本发明中，其特征在于，基于1重量份的碳硫复合物计，所述蚀刻溶液以0.1～2.1重量份范围单独使用HF溶液，或者使用HF和NaOH混合或HF和KOH混合的蚀刻溶液。