[发明专利]一种基于棕榈纤维制备锂硫电池硫/碳复合正极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂硫正极材料，特别涉及一种采用棕榈纤维制备高比表面、高孔体积，微孔丰富的活性碳，再与硫复合制备锂硫电池用正极材料的方法，属于锂硫电池技术领域。

背景技术

随着人类对化石能源的不断消耗，能源危机和环境污染不断加剧。化学电源的产生不但给人们的生产和生活带来了极大便利，同时也能减轻能源危机和环境污染。随着锂离子电池的成功商业化，各种可移动电子设备和以电能为动力交通工具也得到迅猛发展。电动汽车、无人机等大型电动设备对电池比容量提出了更高的要求，传统的锂离子电池越来越满足不了人们的需求。

锂硫电池是以金属锂为负极，硫为正极的可充电电池，其理论比容量为1675mAh/g，能量密度为2600Wh/Kg，远远超过锂离子电池。硫在自然界含量十分丰富，易于获得，且价格低廉，因此可以极大地降低锂硫电池的成本，使得锂硫电池极具发展前景。目前，锂硫电池的商业化发展受到阻碍主要是基于以下因素：

1)循环稳定性差。电池在循环过程中，容量衰减较快。这是因为硫在循环过程中会生成一系列多硫化物，这些多硫化物易溶于电解液中，造成活性物质损失。

2)倍率性能差。大电流密度放电时，硫的利用率低。这是因为硫和硫的放电产物硫化锂是电子和离子的绝缘体，大电流放电过程中电极的极化较为严重。因此，限制多硫化物的溶解，提高硫和硫的放电产物的导电能力对实现锂硫电池商业化具有重要意义。

针对锂硫电池存在的问题，研究者进行了大量的研究。Nazar课题组率先提出，利用高度有序介孔炭载硫制备硫/炭正极材料，充放电测试表明，介孔炭不但能够显著提高硫和硫化锂的导电能力，而且能够限制多硫化物的溶解，容量得到显著提高。介孔炭、碳纳米管、石墨烯、空心碳球和金属氧化物等被广泛研究用于负载硫，因为这些材料提供了导电性良好的骨架以提高硫电极的电子导电性，从而提高了硫的利用率；同时这些材料往往具有较大孔容积或高比表面可以封装硫或吸附硫放电中间产物，从而提高硫的循环稳定性。随着研究的不断进展，研究者普遍认为，用于制备锂硫电池正极材料的炭应具备以下特征：

1、导电性好。因为导电性好可以提高硫的利用率。

2、比表面积和孔体积高，并且具有多级孔结构。因为高比表面积有利于电化学反应过程中产生的中间产物和Li₂S吸附或沉积在正极；高孔体积有利于提高载硫量，以及限制中间产物溶解；具有多级孔结构的炭材料中，大孔有利于电解液浸润和离子传输，介孔可以在提高载硫量的同时对中间产物提供中等程度的吸附，微孔可以强有力的吸附中间产物，显著提高循环稳定性。

3、杂原子掺杂。研究表明掺杂可以有效改善炭材料的表面特性，从而增强电解液对其界面的润湿性，和对中间产物的吸附性。

目前，能同时满足以上条件的炭材料往往合成过程比较繁琐、大多采用昂贵的模板剂或有毒试剂，成本较高，难于量化生产，并且现有的一些低成本的合成方法往往对孔径难以调控，尤其是微孔的获取比较困难。

综上所述，寻找出一种比表面积高、孔体积大且孔径小、有杂原子掺杂、价格低廉和易于量化生产的活性碳用于负载硫，制备锂硫电池用硫/碳复合正极材料是十分必要的。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明目的是在于提供一种利用天然棕榈纤维制备高比表面、高孔系率、富含微孔及具备天然杂原子掺杂的活性碳，进一步获得载硫量高、稳定的硫/碳复合正极材料，该复合正极材料硫利用率高，可用于制备循环稳定性好，倍率性能优良的锂硫电池。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种基于棕榈纤维制备锂硫电池硫/碳复合正极材料的方法，该方法是将棕榈纤维先在400～550℃温度下炭化，再与氢氧化钾混合在800～950℃温度下活化，得到活性碳，所述活性碳与单质硫复合，即得硫/碳复合正极材料；所述活性碳为杂原子掺杂炭，具有管阵列结构，且管壁富含微孔，比表面积为1000～3000m²/g，孔体积为0.5～2.0cm³/g，平均孔径为1～3nm，孔径在2nm以下的微孔体积占40％以上。