[发明专利]一种薄壁型局域石墨化多孔碳球材料及其制备方法和在锂硫电池中的应用

说明书

本发明公开了一种薄壁型局域石墨化多孔碳球材料及其制备方法和在锂硫电池中的应用，多孔碳球材料为具有薄壁孔的局域石墨化多孔碳纳米球；其制备方法是：将水性树脂、水溶性无机盐、表面活性剂及过渡金属盐类溶于水，得到喷雾溶液；所述喷雾溶液通过喷雾干燥，得到局域石墨化多孔碳纳米球前驱体；局域石墨化多孔碳纳米球前驱体进行热解，即得，该制备方法工艺简单，重复性好，制备的薄壁型局域石墨化多孔碳球材料具有导电性优良、孔径大及比表面积高等优点，将其应用于锂硫电池硫载体，表现出高比容量、长循环稳定性和高倍率性能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料，具体涉及一种薄壁型局域石墨化多孔碳球材料及其制备方法，还涉及其在薄壁型局域石墨化多孔碳球材料作为锂硫电池正极载硫材料的应用，属于锂离子电池材料领域。

背景技术

随着锂离子电池在便携式电子产品、纯电动汽车和即插式混合电动车中的广泛应用，迫切需要开发更高能量密度的电池。由于传统锂离子电池正极材料比容量提高受到限制，锂离子电池的能量密度难以进一步大幅度增加。同时通过增加正极材料的电压平台提高能量密度又会带来安全性问题。将正极材料从“脱嵌机理”转到“转换反应化学机理”，可望得到高比容量的电极材料。硫是最有前途的正极材料之一，硫同金属锂完全反应生成Li₂S，电池反应为S+2Li＝Li₂S。由于硫的分子量低，硫的理论比容量高达1675mAh/g(几乎是LiFePO₄比容量的10倍)，而电池的理论比能量则高达2600Wh/Kg。此外，单质硫在自然界储量丰富、低毒、价格低廉，因此单质硫是一种非常有吸引力的正极材料。

然而，锂硫电池存在活性物质利用率低、循环性能差、倍率性能需要进一步提高等问题。而锂硫电池中活性物质硫材料本身和最终放电产物Li₂S是电子和离子的绝缘体，放电过程中的中间产物多硫化物易溶解于电解液中，这些会造成活性物质的不可逆损失和容量衰减。为此，如何抑制多硫化物的扩散、改善硫的分布状态以及提高硫正极循环过程中的导电性是硫基正极材料的研究重点。

为解决锂硫电池的这些问题，目前通常是将单质硫或聚硫物负载(装填、附着、混合、外延生长、包覆等)到具有高比表面积、高孔隙率及良好导电性能特征的碳素类材料中，形成含硫复合正极材料，以限制循环过程中多硫化物溶入电解液和由此引起的各种副作用。其中，多孔碳球具有导电性好、大比表面积、大孔容等优点，易于构成导电网络，有利于内部电子传导和锂离子的扩散。另外，多孔碳球具有大的空间间隙，对稳定电极结构产生积极的意义。但传统的三维结构多孔碳球一般比表面积较小，负载硫的能力有限，造成制备的复合正极材料中的硫含量低、分布不均匀，装配成电池循环数圈后，仍然有大量活性物质硫会从多孔碳球中溶解，造成活性物质的损失，锂硫电池的能量密度很难进一步提高。如果复合正极材料中硫含量进一步提升，大量硫分布在多孔碳球的外表面，一方面导致电极的导电能力下降；另一方面这部分硫在电极反应后生成的多硫化物容易扩散穿梭，造成活性物质的不可逆损失，材料的电化学性能得不到较好的发挥。

发明内容

针对现有技术中的锂硫电池载硫用多孔碳球材料普遍存在硫负载量偏低，能量密度低、循环性能差等问题，本发明的第一个目的是在于提供一种粒径均匀，孔隙发达、孔壁薄，比表面大，孔容大，导电性好的薄壁型局域石墨化多孔碳球材料，具有这些特点的薄壁型局域石墨化多孔碳球材料相对普通的多孔碳材料硫负载量更高，且能有效抑制多硫化物在电解液中的溶解，导电性好，特别适用于锂硫电池正极载硫体材料。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单、成本低、适于工业化生产的制备锂硫电池载硫用薄壁型多孔局域石墨化碳球材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供一种薄壁型多孔局域石墨化碳球材料在锂硫电池中的应用，将薄壁型多孔局域石墨化碳球作为锂离子电池正极载硫体应用，可以获得更高的载硫量，且导电性好，可以很好地改善锂硫电池的循环性能，提高能量密度与活性物质硫的利用率。