[发明专利]利用硫化促进剂以提高硫碳复合物含硫量的方法

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种可以应用于锂硫电池的硫碳复合物的制备方法，属于电化学电源领域。

背景技术

随着传统资源和能源日益紧缺、环境问题日趋严重，开发新的能源储存及转换技术已经成为各国的能源战略重点。其中，锂硫电池是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次电池。它以硫做为主要正极活性物质，具有高比容量(1675mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)，同时硫具有廉价而无毒的优点，因此锂硫电池正日益受到关注。

锂硫电池面临活性物质硫的绝缘性以及反应中间产物多硫离子流失等难题，这将导致活性物质硫难以获得足够的电化学反应活性从而无法被完全利用，以及流失的多硫离子产物易与锂负极发生一系列不利的副反应，这些问题导致锂硫电池目前还无法大规模产业化。一个具有实用工业化前景的技术手段是通过将硫与碳源前驱体进行高温硫化反应，以实现将硫元素以化学键形式存在于碳的骨架，这可以同时解决硫的绝缘性以及反应中间产物流失的难题。以此类硫碳复合物作为正极的锂硫电池，具有稳定的循环性能，极低的电池自放电，较高的安全性等优点，因此被认为是一类理想的锂硫电池正极材料，但目前此类碳硫复合物的含硫量普遍偏低，造成由其组成的锂硫电池的容量偏低，阻碍了它的进一步发展。

目前制备此类硫碳复合物的普遍方法是选择不同的碳源，与硫源混合后进行高温硫化。通过控制反应物的比例，高温反应的温度，以及反应时间以尽可能提高材料的含硫量。但这种通过简单的改变反应条件的途径，很难高效的提高硫碳复合物的含硫量。因此寻找开发可显著提高其含硫量的制备方法对于发展高性能的锂硫电池具有重要的意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种利用硫化促进剂以提高硫碳复合物含硫量的方法，以克服现有技术中硫碳复合物含硫量低等缺陷，使之可以作为锂硫电池正极材料等应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种利用硫化促进剂以提高硫碳复合物含硫量的方法，包括：

将碳源、硫源与硫化促进剂混合、球磨，获得均匀混合物；

将所述均匀混合物置入密闭容器中，并通入保护性气体，在100-700℃的硫化温度下充分反应，获得硫碳复合物。

较为优选的，所述均匀混合物中，硫化促进剂的质量与碳源和硫源总质量的比值为0.05%-50%：1。

本发明的原理在于，通过在硫源与碳源前驱体（简称“碳源”）反应的过程中加入硫化促进剂，并使之受热分解产生具有高反应活性的物质（一般为一端带有自由基基团的小分子），这类物质可继续与硫源反应，产生可与碳源前驱体反应的硫化分子，这类硫化分子比普通的硫源具有更强的硫化能力，故可以显著促进硫化反应的进行，即，硫化促进剂的使用可以提高硫源的活性，从而加速硫源与碳源的硫化反应。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

①相比于没有添加硫化促进剂的硫碳复合物，采用本发明方法制备的硫碳复合物的硫含量有大幅度提高，硫含量可以提高5wt%-30wt%；

②以本发明方法得到的硫碳复合物为正极，所制得锂硫电池具有较高的放电容量以及优秀的循环稳定性能。

③本发明方法引入的硫化促进剂不仅可以提高产物的含硫量，并且可以降低硫化反应的温度，有利于控制生产成本。

④本发明方法不需要复杂的化学反应设计，设备简单操作易掌握，适合大规模工业化应用。

附图说明

图1是实施例1和对照例1中添加或不添加硫化促进剂的反应物的示差扫描量热曲线（DSC）图谱；

图2a-图2b是实施例1中所获硫碳复合物的电镜扫描图片；

图3为实施例1中所得的硫碳复合物用以制备锂硫电池正极，并以之组装为扣式电池(CR2025)的循环性能测试图谱。

具体实施方式

鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是一种利用硫化促进剂以提高硫碳复合物含硫量的方法。

进一步的讲，本发明的技术方案包含如下步骤：

(1)反应物的混合：将碳源前驱体（亦称“碳源”）、硫源与硫化促进剂混合，并置入球磨罐等设备内以一定转速进行球磨，得到混合均匀的混合物；

(2)在高温下进行硫化反应：将步骤（1）所获混合物置入密闭容器中，再将密闭容器置于真空管式炉等设备中，以及在密闭容器中通入惰性气体，高温下反应一段时间，获得具有较高硫含量的硫碳复合物。