[发明专利]一种可用于锂硫电池的大孔碳/氧化锌/硫复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种可用于锂硫电池的大孔碳/氧化锌/硫复合材料及其制备方法与应用。所述的制备方法，包括以下步骤：S1.制备含有大孔碳材料和Zn(COOH)₂的混合溶液，在40~80℃下，加入强碱溶液，搅拌，温度维持40~80℃，待反应结束后离心并干燥，得到大孔碳/氧化锌材料；以CS₂为溶剂，将大孔碳/氧化锌材料和单质S进行研磨，之后加入反应釜进行加热，反应时间为10~24h，反应温度为100~300℃。本发明所述大孔碳/氧化锌/硫复合材料通过利用大孔碳和氧化锌克服了硫作为电池正极材料的导电性能不佳和具有穿梭效应的缺点，将所述大孔碳/氧化锌/硫复合材料应用于锂硫电池的正极中，能够有效提高锂硫电池倍率性能以及循环性能。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料的技术领域，更具体地，涉及一种可用于锂硫电池的大孔碳/氧化锌/硫复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

现如今社会与经济的发展十分迅速，使得人们对于能源的需求也与日俱增，人类生活越来越依赖于化石燃料，这导致全球能源危机和温室效应等严重的环境问题和人类生存问题。因此，大力开发可再生能源成为必然趋势，可再生能源包括风能、潮汐能、核能、太阳能等，这些能源对环境无任何污染且取之不尽用之不竭，但是其能流密度低且强度极其容易受到天气、季节等各种因素的影响而不能维持常量，无法满足人们日常生活中对于能量的需要。由此可见，开发利用储能装置来存储这些清洁能源对人们日常生活的需求和经济社会的发展都是非常必要的。因此，铅酸电池、镉镍电池、镍氢电池和锂离子电池被大量开发应用于移动电子设备和储电站。但是由于铅酸电池、镉镍电池和镍氢电池对环境有害，因此在过去的二十年里，锂离子电池发展迅速，应用十分广泛，特别是在小型的移动电子设备方面，锂离子电池完全占据了市场。与铅酸蓄电池相比，锂离子电池的比能量高出三倍以上，循环寿命超出1.5倍以上，这些因素决定了锂电池便携、低成本的优势。其能量密度高达300mAh g^-1，而它的应用水平普遍达到了正极比容量为250mAh g^-1，接近锂离子电池电极材料理论比容量极限。

随着新能源科学技术的不断发展和人们对能源需求的增长，锂离子电池电极材料比容量极限已无法满足人们日常生活的需求，具有更高比容量、更低成本的电化学储能材料亟待开发。单质硫是地球中储量丰富的元素之一，其具有价格低廉、环境友好等特点。采用硫作为正极材料，其材料理论比容量和电池理论比能量分别达到1672mAh g^-1和2600Whkg^-1，是目前锂离子电池能量密度的7～8倍。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的电化学储能材料，这使得锂硫电池逐渐成为新一代高能量密度清洁储能装置的研究热点。

尽管锂硫电池能量密度高、成本低，但是相对传统的嵌入脱出的电极材料，转化反应电极材料在充放电过程中存在严重的体积膨胀问题，导致材料粉化，脱离极片，最终造成严重容量衰减，硫在充放电过程中的体积膨胀大概在80％左右。另一方面，硫和硫化锂是电子绝缘的材料，导电性很差，用它们作为电极材料的时候必须要和导电添加剂共同作用才能发挥出材料的电化学性能。此外，锂硫电池还存在穿梭效应，会导致锂硫电池严重的自放电。总的来说，高容量、高能量的锂硫电池还存在上述问题，有待进一步研究解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于锂硫电池、特别是锂硫电池正极材料的大孔碳/氧化锌/硫复合材料的制备方法，所述大孔碳/氧化锌/硫复合材料可有效解决锂硫电池中正极材料活性硫的散失和穿梭效应的问题，从而在整体上提高锂硫电池的电化学性能和循环稳定性。

本发明的另一个目的是提供所述大孔碳/氧化锌/硫复合材料。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种可用于锂硫电池的大孔碳/氧化锌/硫复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.制备大孔碳/氧化锌材料