[发明专利]硫碳复合物及其制备方法、含有该硫碳复合物的电极材料和锂硫电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂硫电池用的硫碳复合物 及其制备方法、采用该硫碳复合物制备的电极材料和锂硫电池。

背景技术

锂硫电池是锂电池的一种，其为以金属锂为负极、硫元素为正极的二次电 池；锂硫电池放电时，负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂 离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的 放电电压。锂硫电池的比能量理论上可达到2600Wh/kg，远大于现阶段所使用 的任何商业化二次电池；除了具有能量密度高的优点，由于其正极材料所采用 的单质硫具有对环境友好、且来源丰富和价格低廉等优点，锂硫电池还具有环 境污染小、安全性能好和成本低廉等优点；因此，在新能源领域中具有广阔的 应用前景：一方面可作为动力电池可广泛地应用于插电式混合动力车、电动汽 车、空间飞行器以及水下潜器等；另一方面也可以作为储能电池可应用于通讯 基站的备用电源、风能和太阳能储能、远离市电区域的边远地区供电电源等。

但是，目前锂硫电池尚存在一些阻碍其实际应用的问题，具体存在以下问 题：1.单质硫的电子导电性和离子导电性差，硫材料在室温下的电导率极低 (5.0×10^-30S·cm^-1)，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的 高倍率性能；2.锂硫电池的中间放电产物锂多硫化物会溶解到有机电解液中，增 加电解液的黏度，降低离子导电性；且锂多硫化物能在正负极之间迁移，导致 活性物质损失和电能的浪费；而溶解的锂多硫化物会跨越隔膜扩散到负极，与 负极反应，破坏负极的固体电解质界面膜(SEI膜)；3.锂硫电池的最终放电产物 Li₂S_n(n＝1～2)电子绝缘且不溶于有机电解液，将沉积在导电骨架的表面；部分硫 化锂脱离导电骨架，无法通过可逆的充电过程反应变成硫或者是高阶的多硫化 物，造成了容量的极大衰减；4.硫和硫化锂的密度分别为2.07g·cm^-3和1.66g·cm^-3， 在充放电过程中有高达79％的体积膨胀/收缩，这种膨胀会导致正极形貌和结构 的改变，进而导致硫与导电骨架的脱离，从而造成容量的衰减；而这种体积效 应在纽扣电池下不显著，但在大型电池中体积效应会放大，会产生显著的容量 衰减，甚至有可能导致电池的损坏，巨大的体积变化会破坏电极结构。

针对以上问题，目前主要的解决方法是从电解液和正极材料两个方面入手 来解决；电解液方面，主要是改用醚类电解液来替代现有的电解液，或在现有 的电解液中加入一些添加剂，如此可以非常有效的缓解锂多硫化合物的溶解问 题；正极材料方面，主要是把硫和碳材料复合，或者把硫和有机物复合，可以 解决硫的不导电和体积膨胀问题。然而，现有技术中合成的硫-碳复合物总是无 法避免多硫化物溶解进入电解质的问题，导致采用该硫碳复合物制作的锂硫电 池循环稳定性不好，不能满足实际的需要。

有鉴于此，有必要提供一种新的硫碳复合物以制备出具有良好的电化学性 能的高能量密度的锂硫电池，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种用于锂硫电池 的硫碳复合物，以解决上述问题；

本发明的目的之二在于提供上述硫碳复合物的制备方法；

本发明的目的之三在于提供锂硫电池的电极材料，其包括上述硫碳复合物；

本发明的目的之四在于提供锂硫电池，其包括上述硫碳复合物。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于锂硫电池的硫碳复合物，包括碳纳米颗粒、分散于所述碳纳米颗 粒中的二氧化硅模板剂和加载于所述碳纳米颗粒中的硫；其中所述碳纳米颗粒 为多孔结构，所述二氧化硅模板剂分散于所述碳纳米颗粒中，90wt％以上的所述 硫填充于所述碳纳米颗粒的孔中，其余分散于所述碳纳米颗粒的表面。

本发明硫碳复合物中二氧化硅模板剂分散于碳纳米颗粒中，以减小碳纳米 颗粒的孔径，这样在使用时，具有小孔径的碳纳米颗粒对电化学反应中间产物 多硫化锂具有更强的捕获能力，同时二氧化硅模板剂的残留还可以有效阻止多 硫化锂的“飞梭效应”。