[发明专利]一种基于硫填充碳纳米笼的锂硫电池正极材料的制备

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于硫填充碳纳米笼(CNC)的新型高性能锂硫电池正极材料的制备。

背景技术

锂硫电池采用金属锂负极和单质硫正极，具有很高的理论能量密度(2600Wh/kg)和可期待的高实际能量密度(400～600Wh/kg)，而且硫单质资源丰富和价格低廉，被认为继锂离子电池后最有潜力的新型二次电池(Nat.Mater.,2012,11,19.)。但是经过了几十年的研究，锂硫电池至今仍未大规模商品化，这主要由于活性物质硫和放电产物Li2S的绝缘性，以及中间产物多硫化物溶解所造成的穿梭效应，将导致小的活性材料利用率、短的循环寿命和差的倍率性能(Acc.Rev.Res.,2013,46,1125；MRS Bulletin,2011,36,506；Chem.Soc.Rev.,2013,42,3018.)。近些年，大量的研究采用碳纳米材料如介孔碳(Nat.Mater.,2009,8,500；Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50,5904.)、碳纳米纤维(Nano Lett.,2011,11,4462；Adv.Mater.,2011,23,5641.)、碳纳米管(Nano Lett.,2011,11,4288；Chem.Commun.,2012,48,1233.)、石墨烯(Chem.Commun.,2012,48,1233；J.Am.Chem.Soc.,2011,133,18522.)等，以增加活性物质的导电性和减小多硫化物的溶解，从而比容量和循环性能上都能得到了很大的改善。然而，大部分复合物中硫的担载量都在70wt％以下，这样非活性材料的增加将降低锂硫电池的质量能量密度和体积能量密 度。一般认为当硫担载量超过80wt％时，才能达到电极材料实际应用的需求(J.Phys.Chem.Lett.,2014,5,882.)。最近报道的高孔体积碳材料，以此得到了高硫担载量的复合材料(80wt％以上)，但其放电比容量、循环稳定性和倍率性能都不理想(Chem.Commun.,2012,48,1233；ACS Appl.Mater.Interfaces,2013,5,10782；ACS Appl.Mater.Interfaces,2013,5,2208.)。因此，寻找既具有高硫担载量又能获得优异性能的复合材料，仍是目前锂硫电池正极材料的一个巨大的挑战。

我们已发展了具有自主知识产权的化学气相沉积的方法来制备具有多级结构、优异的导电性、高孔体积和大比表面的碳纳米笼(CN200810023448.X)。这些独特结构特征赋予了将高载量硫封装在碳笼里的能力，从而能够减小多硫化物的溶解以及增强电子导电率和离子扩散速率，进而获得了大比容量、长循环稳定性和高倍率性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于硫填充碳纳米笼的锂硫电池正极材料的制备，这种具有高硫填充量的锂硫电池正极材料，展现出大的比容量、高的倍率性能、长的循环稳定性和低的成本。

本发明的具体技术方案如下：一种基于硫填充碳纳米笼的锂硫电池正极材料的制备，步骤包括：

(1)化学气相沉积法制备CNC载体：CNC的制备请见具有自主知识产权的专利(CN200810023448.X)。

(2)制备高硫填充量的碳硫复合物S@CNC：称取一定重量比例的CNC和硫粉，并研磨均匀。将上述混合物放到马弗炉里，升温到一 定温度并保持一段时间，在这个过程中，使硫融化并扩散到碳纳米笼里；再将温度升高到一定温度并保持一段时间，在这个过程中，以通过升华方式除掉碳笼表面的硫；冷却至室温，即可得到硫填充量的S@CNC复合物。

其特征是步骤(2)中，CNC可以为在700℃、。800℃或900℃合成条件下制备的。

其特征是步骤(2)中，硫粉为升华硫。

其特征是步骤(2)中，研磨时间至少30分钟。

其特征是步骤(2)中，一定重量比例的CNC和硫粉在1:1和1:12之间。

其特征是步骤(2)中，加热至融化，并至少保持12h。

其特征是步骤(2)中，再升温温度到250℃并保持2h。