[发明专利]一种多孔硫磺/碳复合材料及其制备方法和锂硫电池应用

说明书

本发明涉及一种多孔硫磺/碳复合材料以及制备方法，并且以制备的多孔硫磺/碳复合材料为正极的锂硫电池的应用。制备方案如下：1)将固体硫磺进行低温熔融一定时间，使硫液化并且S8发生开环聚变反应；2)升高温度，将液体硫气化，将气化后的硫高速喷入密封反应器内；3)将预先制备好的碳的低温有机溶剂分散液，同时喷入密闭反应器内，使高温的硫蒸汽发生淬冷，并且在淬冷过程中形成硫与碳的复合固体材料；4)分离多孔硫/碳固体和有机溶剂，并进行萃取，制备得到高纯度的多孔硫/碳复合材料；5)高速球磨后将多孔硫/碳复合材料制备成可用于锂硫电池正极的电极材料。该材料可以用于制备锂硫电池的正极，并且表现出优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于化学电源领域，涉及一种硫正极材料的制备方法，特别涉及一种高性能多孔硫磺/碳复合材料的制备方法。

背景技术

社会发展对储能技术的需求日益增长。锂硫电池有较高的理论比容量(1675mAh/g)和理论能量密度(2600Wh/kg)，未来有可能满足新的电池储能系统(如便携式电子设备，电动车，电化学储能站)的应用要求，具有广阔的应用潜力，成为高比能二次电池的研究热点。

单质硫是电子和离子的绝缘体，其电子离子导电性能极差，同时锂放电产物多硫化锂的溶出，导致了电池严重的容量衰减；放电终产物硫化锂具有严重的体积膨胀。以上几个因素是当前锂硫电池的硫正极一侧面临的主要问题。

常规技术手段为使用炭材料做载体，制备硫炭复合物正极材料。但是硫在碳载体中仍然是以微米级或者更大尺寸的颗粒形式存在于炭材料中。导致了硫的利用率低，活性硫的利用率很低。

因此，亟需开发一种多孔结构硫与碳材料的复合正极，以改善材料的电化学性能和循环稳定性；并进一步提高锂硫电池的能量密度和循环寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能多孔硫磺与碳复合正极材料的制备方法。此方法制备的多孔硫磺/碳复合正极材料的多孔硫具有纳微米级别的孔道结构、复合正极材料炭含量可调控。制备工艺简单、成本低、产品一致性高、环境友好，适合规模化生产。

本发明提供了一种高性能硫碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于，利用淬冷技术将S8分子开环成直链结构的多孔硫，结合淬冷过程中炭粉载体的复合，制备多孔硫/碳的复合正极；具体包含以下步骤：

步骤1：将固体硫磺在一定温度下，低温熔融一定时间，使固体硫转变成液体硫以及使S8发生开环聚变反应；

步骤2：升高温度，在一定温度下使液体硫气化，将气化后的硫蒸汽，以一定的压力和速度喷入密封反应器内；

步骤3：将碳的有机溶剂低温分散液，进行雾化并且与硫蒸汽同时喷入密闭反应器内，使高温的硫蒸汽发生淬冷，并且在淬冷后沉降形成多孔硫/碳的复合固体材料；

步骤4：分离多孔硫/碳固体和有机溶剂，使用萃取剂对固体材料进行萃取，制备得到高纯度的多孔硫/碳复合固体材料。

步骤5：采用高能球磨的手段，对制备的多孔硫/碳复合固体材料进行球磨，得到颗粒尺度为纳米尺度的多孔硫/碳复合粉体电极材料。

所制备的多孔硫/碳复合物中硫的质量含量为20～80％，球磨后所制备的纳米多孔硫/碳颗粒尺度为100～500nm。

步骤1中，所选用的固体硫磺包括：升华硫、沉降硫、精制硫、聚合硫中的一种或两种以上的混合物。采用的熔化温度为120～150℃，熔融时间为3～5h。。

步骤2中，采用的气化温度为500～700℃。使用高压惰性气体(氮气或氩气)辅助将高压硫蒸汽喷出到密闭反应釜内，喷嘴压力0.5～1MPa，喷嘴直径为0.1～2mm。