[发明专利]一种具有球形结构的活性炭材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种具有球形结构的活性炭材料，所述活性炭材料由质量比为1~5:1的糖类与碳材料经超声分散，喷雾热解处理和碳化制备而成。通过超声喷雾热解法制备球形活性碳材料，并将碳材料作为活性物质载体用于锂硫电池正极材料。本发明制备的具有球形结构的活性炭材料，因其为碳材料自支撑形成球形结构，球形内部有空隙，比表面积大，分散性较好，能有效地改善了正极材料的电化学性能。其制备方法操作简单，成本较低，节能环保，制得的活性炭材料孔结构丰富，将其作为活性物质载体应用在锂硫电池中，电化学性比容量高、循环性能优良、结构稳定、环境友好。

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，具体地涉及一种具有球形结构的活性炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着世界能源的消耗需求不断增长，可开发利用的石油资源日益枯竭，而环境污染却日益严重，因此利用电化学储能技术将清洁的太阳能，风能储存再利用无疑是人类在21世纪解决这一问题的最有效途径；另外影响人们生活的移动电子设备、电动汽车等也都对未来电化学储能技术提出了更高的要求。这些都需要安全、低廉、高能量密度和长寿命的二次电池来实现。在诸多储能方式中，锂离子电池以质量轻、容量高和无记忆效应等优点，在当今储能工业占据核心地位。

锂离子电池使用石墨材料作为负极，磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂等含锂金属氧化物作为正极，利用锂离子在正负极之间的”摇椅效应”来贡献容量，目前现有的二次锂离子电池自身理论比容量将近300mAh/g，即便如此也难以达到人们所需的二次电池的要求，同时燃料电池在短时间内还较难实用化，因而具有1650mAh/g理论比容量的锂锍电池成为目前的最具吸引力的二次电池体系。

锂锍电池以单质硫作为正极，金属锂作为负极，其中单质硫的理论比能量就达到2600Wh/kg，且单质硫价格低廉、资源丰富，对环境友好，在一定程度上可以替代锂离子电池，但是锂锍电池的实际比容量远远小于理论比容量，因此限制了它大规模的运用。造成这个现象的主要原因是锂硫电池在充放电循环的过程中，聚硫化物易溶于电解液中，在循环终止时，并没有全部转化成最终产物，造成了有效物质的损失，同时由于聚硫化物的溶解造成的“飞梭效应”，使得锂锍电池的容量大幅度降低。因此发明出能改善锂锍电池“飞梭效应”的正极材料十分迫切。

由于单质硫作为正极材料的一系列不足，科研人员利用碳材料与单质硫复合作为正极活性物质的研究最为普遍。碳材料具有良好的导电性，其结构也能对多硫化物的迁移扩散起到抑制作用。近几年常用来作为科研对象的碳材料有：乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、空心碳，多孔碳等，这些材料都在不同程度上改善和提高了锂硫电池的放电容量和循环效率。空心碳球、碳管具有更大内部空间，可以容纳多单质硫和电解液，将充放电反应抑制在内腔中，使得聚硫化物难以脱离碳壳，此外，由于单质硫被包覆在碳球中，材料颗粒之间直接接触，因此不需要额外地添加导电剂，从而增加了正极活性物质的含量。

经检索现有技术，利用碳材料制备锂硫电池的放电容量和循环效率参差不齐，难以保证锂硫电池的高质量，现有的技术，研磨混合后，再高温热处理的分步骤制备方法较多。制备得到的活性炭材料形貌各异，很难保证一致性，生产过程中，也没有实现一步法的连续生产。且暂未发现以超声喷雾热解方法合成具有球形结构的活性炭材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种比容量高、循环性能优良、结构稳定、环境友好的具有球形结构的活性炭材料，该活性炭材料形貌良好，比表面积高，孔隙率大，吸附性好；制备的成本低廉，工艺简单且可连续生产的球形活性炭的制备方法，且将其作为活性物质载体应用在锂硫电池中，电化学性比容量高、循环性能优良、结构稳定、环境友好，该活性炭材料形貌良好，比表面积高，孔隙率大，吸附性好；制备成本低廉，工艺简单且可连续生产的球形活性炭，且将其作为活性物质载体应用在锂硫电池中，不需要额外地添加导电剂，增加了正极活性物质的含量；电化学性能优异。

本发明的另一目的在于提供一种具有球形结构的活性炭材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种上述具有球形结构的活性炭材料的应用。