[发明专利]一种三维多孔硫颗粒纳米材料及其制备方法、一种锂硫电池正极及锂硫电池

说明书

本发明提供了一种三维多孔硫颗粒纳米材料及其制备方法、一种锂硫电池正极及锂硫电池，以PS小球作为造孔模板，设计合成的多孔结构的硫颗粒，内部空隙能缓冲体积变化，大大提高硫结构完整性，减少了放电/充电过程中的活性质量损失，从而提高了正极的电化学性能。与现有技术相比，本发明通过化学合成法制备的硫颗粒产率高，可控性好；造孔模板易去除，且对硫颗粒没有影响；三维多孔结构能缓冲充放电过程中的体积膨胀；而且，实验过程简单，产率高，原料价廉易获取，成本低。

技术领域

本发明属于新能源科技领域无机纳米颗粒的制备，具体涉及一种三维多孔硫颗粒纳米材料及其制备方法、一种锂硫电池正极及锂硫电池。

背景技术

新能源的开发利用是人类不断努力探究的重要课题，在人们对新能源开发的探究过程中，在储能方面，锂离子电池表现十分出色，广泛地应用于便携式电子设备、电动汽车、能源储存系统等领域。但传统锂离子电池的能量密度接近理论极限，锂硫电池比传统锂离子电池具备更高的能量密度和比容量，锂硫电池理论能量密度大约是2600Wh kg^-1，是目前已商业化电池的10倍。并且锂硫电池理论比容量可以达到1673mAh g^-1，远高于传统的锂离子电池。此外，硫在自然界中分布广泛，原料成本极低，并且在充放电过程中没有有害物质产生，无毒无污染，是环境友好型材料。上述几方面的巨大优势，使锂硫电池成为了新一代极具开发前景的锂二次电池。

锂硫电池还存在着许多问题限制着它的实际应用，主要有单质硫和放电产物的导电性差；穿梭效应导致较低的库伦效率和可逆容量；体积变化引起活性物质脱落，这些问题综合导致锂硫电池容量的迅速下降。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种三维多孔硫颗粒纳米材料及其制备方法，通过选择恰当的造孔模板，设计合成的多孔结构的硫颗粒，内部空隙能缓冲体积变化，大大提高硫结构完整性，减少了放电/充电过程中的活性质量损失，从而改善了正极的电化学性能。

本发明还提供一种锂硫电池正极，采用三维多孔硫颗粒纳米材料制成。

本发明还提供一种锂硫电池，使用包括三维多孔硫颗粒纳米材料制成的正极制成。

本发明具体技术方案如下：

本发明提供的一种三维多孔硫颗粒纳米材料的制备方法，包括下列步骤：

1)将造孔模板与蒸馏水混合，室温下超声分散，得混合溶液；

2)将硫代硫酸盐加入到步骤1)所得混合溶液中，搅拌至全部溶解后，加入表面活性剂和酸，室温下搅拌反应，反应结束后，静置，离心、洗涤、干燥，得包裹了造孔模板的硫颗粒；

3)将步骤2)制备的包裹了造孔模板的硫颗粒浸泡在固定溶剂中，溶解造孔模板，离心洗涤，干燥，即获得了三维多孔硫颗粒纳米材料。

步骤1)中所述造孔模板选自羧基聚苯乙烯微球(PS小球)；所述造孔模板与蒸馏水用量比为0.1～2.0mg/mL，优选0.5～1.6mg/mL。

进一步的，步骤2)中将硫代硫酸盐加入到步骤1)所得混合溶液中，硫代硫酸盐浓度为0.01～0.2mol/L，优选0.02-0.1mol/L。

步骤2)中所述硫代硫酸盐选自硫代硫酸钠或硫代硫酸钾中的一种或两种。

步骤2)中加入的表面活性剂在体系中的浓度0.001～0.1mol/L，优选0.002-0.006mol/L。

步骤2)中所述表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或十二烷基硫酸钠(SDS)的一种或两种。聚乙烯吡咯烷酮平均分子量在8000。

步骤2)中加入的酸在体系中的浓度为0.01～0.2mol/L，优选0.05～0.15mol/L。