[发明专利]一种有机聚合物硫/纳米碳基复合材料及其在锂硫电池中的应用

说明书

本发明公开了一种有机聚合物硫/纳米碳基复合材料及其在锂硫电池中的应用，属于电池材料技术领域。本发明通过有机物与多硫化钠的界面聚合作用制备的有机聚合硫活性材料，再将将有机聚合物硫与纳米碳基材料复合，并将其用于锂硫电池正极。本发明利用有机聚合物中的碳‑硫键束缚多硫离子的穿梭效应，通过与具有优异导电性的纳米碳的复合提高材料的导电性。将该材料用于锂硫电池，得到的锂硫电池具有优异的循环稳定性与倍率性能特点。本发明操作简便、易于结构调控，为有机聚合物硫在锂硫电池方面的应用提供了广阔的前景。

技术领域:

本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种有机聚合物硫/纳米碳基复合材料及其在锂硫电池中的应用。

背景技术:

随着便携式电子设备、空间技术、电网和电动汽车等领域的快速发展，人们对电池的要求变得越来越高，其中高容量、长循环寿命、低成本及环境友好的新型锂电池开发成为一个热门的研究领域。新电化学储能体系中，以金属锂为负极、单质硫为正极的锂硫电池，其理论比能量可达到2600Wh/kg，远高于现阶段所使用的锂离子电池。此外，单质硫廉价、环境友好的特性，又使该体系极具商业价值。但是锂硫电池在实际应用之前仍有许多问题有待解决，如硫及其最终放电产物硫化锂的低电导率、电池充放电过程中产生易溶解于有机电解液的长链多硫化物发生的穿梭效应都显著影响正极中活性硫的利用率及电池性能，致使电池容量快速衰减。

针对上述问题，现有的主要解决方法是采用高导电性的碳材料与硫进行复合，并尽可能使硫进入碳材料的孔中，尤其是其中微孔，来限制多硫化物的溶解和穿梭。但是通过这类物理方法，虽然可以在充放电最初阶段获得好电化学性能，但随着充放电反复进行，束缚在孔中的硫生产多硫并会缓慢溶解，而出现迅速的容量衰减和库伦效率降低。因此，仍然需要发展正极材料来提高锂硫电池的性能。

发明内容:

为了克服现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种有机聚合物硫/纳米碳基复合材料及其在锂硫电池中的应用，该材料利用纳米碳基材料的高导电性提高材料的导电性，同时利用有机物中形成的碳-硫键进行化学方式固定硫，通过调控有机聚合物中的硫链长度来限制长链多硫化物的产生，从而实现良好的电化学性能。

本发明的技术方案是：

一种有机聚合物硫/纳米碳基复合材料，其特征在于：该复合材料是由有机聚合物硫与纳米碳基材料组成，有机聚合物硫分布在纳米碳基材料表面；其中：所述有机聚合物硫在复合材料中的含量为40～70wt％。所述纳米碳基材料为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯或氧化石墨烯。

所述有机聚合物硫的制备过程为：将升华硫与硫化钠在溶剂(水或其他溶剂)中反应，通过调整升华硫与硫化钠的化学计量比得到包括不同种类多硫化钠的多硫化钠溶液；在多硫化钠溶液中加入表面活性剂搅拌至澄清，再加入有机物三氯丙烷，通过界面聚合作用合成有机聚合物硫，所述有机聚合物硫中的硫含量为50～90wt％。

所述多硫化钠为三硫化钠、四硫化钠和五硫化钠中的一种或几种。用于制备有机聚合物硫的有机物原料为三氯丙烷，制备过程中通过控制原料中的三硫化钠、四硫化钠和五硫化钠的含量来调控有机聚合物硫中的硫含量。

用于制备有机聚合物硫的表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠或聚乙二醇辛基苯基醚。

所述有机聚合物硫/纳米碳复合材料的制备具体包括如下步骤：

(1)在惰性气体保护下，将升华硫与硫化钠在溶剂(水或其他溶剂)中反应，通过调整升华硫与硫化钠的化学计量比得到不同种类的多硫化钠溶液；所述多硫化钠溶液的浓度为0.1～10mol/L。