[发明专利]一种锂硫电池用多孔碳膜及其应用

说明书

本发明公开了一种锂硫电池用多孔碳膜及其在锂硫电池中的应用，以有机高分子树脂、有机高分子树脂与无机纳米粒子的混合物、有机高分子树脂与有机配合物的混合物、或有机高分子树脂与粉体碳材料的混合物为原料，制备而成有机膜或有机—无机复合膜，通过预氧化、程序升温碳化、刻蚀模板，得到的多孔碳膜。多孔碳膜作为锂硫电池正极材料，在电极制备工艺、原料利用率、导电性、电极组成结构和质量等各方面都表现出无与伦比的优势，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于电池领域，具体涉及一种锂硫电池用多孔碳膜及其应用。

背景技术

在商业化的二次电池中，锂离子电池是目前能量密度最高的二次电池，但是基于“脱嵌”理论的锂离子电池，其理论比容量目前小于300mAh g^-1，实际能量密度小于200Whkg^-1，远不能满足人们对电动汽车500km续航的需求。锂硫电池作为一种新的电化学储能二次电池，与传统的锂离子“脱嵌”式材料不同，在放电过程中，硫和金属锂发生两电子反应，可以放出很高的比容量(1675mAh g^-1),理论比能量也高达2600Whkg^-1，同时，活性物质硫具有自然丰度大，成本低，低毒，环境友好等优点，因此，锂硫电池被认为是可替代锂离子电池的新型二次电池之一，具有良好的应用前景。

正极材料是锂硫电池中的重要组成部分，它起着构建电极导电网络和固硫的作用。正极材料的比表面、孔体积、孔径尺寸和孔径分布直接影响电池的电化学性能和使用寿命；因此要求电极材料具有以下特点:1)高比表面，一方面，通过物理吸附作用缓解多硫化物的飞梭；另一方面，为最终放电产物Li₂S和Li₂S₂提供沉积位点；2)大孔体积，一方面，较大的孔体积可以提高充硫量，增加单位电池质量中活性物质含量，提高电池比能量；另一方面，可以缓解放电过程中由于充放电产物密度不同引起的体积膨胀对电极材料的机械损坏；3)合理的孔径大小和孔径分布，S₈分子大小为0.68nm，理论上来说微孔具有更好的的固硫效果，但是由于单一微孔材料能提供的孔体积小，充硫率低，不利于实际应用。介孔材料和大孔材料能提供较大的孔体积，但是由于孔径较大，比表面较低，固硫效果差。因此同时具备高比表面、大孔体积的微介孔、微大孔、微介大孔的双峰或多峰孔结构材料表现出更好的应用前景，合理的孔径分布能够尽可能的发挥该类材料的优势。而传统的粉体碳材料需要添加粘结剂，需要密度较大的铝制薄膜作为支撑体，电极的有效物质(C/S复合物)质量较小，部分粉体材料由于导电性差，需要添加额外的碳粉作为导电剂，进一步减小了电极有效物质所占的比例。因此，开发无需导电剂、粘结剂、支撑体，同时具有高比表面、大孔体积且具有合理孔径大小和孔径分布的的碳膜作为锂硫电池正极材料至关重要。

在锂硫电池中，硫以S₈分子形式储存在碳材料的孔道中，碳材料通过物理吸附作用将放电过程中形成的可溶性的多硫化物固定在碳材料基体内，从而实现固硫的作用。由于硫常温下为绝缘体，所以需要碳材料构建电子传输网络，提高活性物质的利用率。多孔碳膜作为锂硫电池正极材料，具有导电性好、材料选用范围宽、工艺简单、生产成本低、有效物质比重大等优点。通过对多孔碳膜前驱体工艺参数的调节实现对碳膜孔径大小、孔径分布、比表面、孔体积的调控，进一步提高其固硫效果，进而提高锂硫电池性能，具有重要的实用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种锂硫电池用多孔碳膜及其应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂硫电池用多孔碳膜，

以有机高分子树脂、有机高分子树脂与无机纳米粒子的混合物、有机高分子树脂与有机配合物的混合物、或有机高分子树脂与粉体碳材料的混合物为原料，制备而成有机膜或有机—无机复合膜，通过预氧化、程序升温碳化、刻蚀模板，得到的多孔碳膜。