[发明专利]一种磷酸锂包覆硫/碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种磷酸锂包覆硫/碳复合材料的制备方法，在热溶液法的基础上进一步热处理后得到了“核壳”结构的Li₃PO₄‑S/C复合材料。在这种结构下，硫/碳不仅是被Li₃PO₄材料紧紧包裹，同时热处理后在材料内部出现了空余空间，这给硫在充放电过程中的体积膨胀提供了缓冲作用。而且，外部的Li₃PO₄离子电导材料包裹层也不易被破坏，壳体结构更加稳定，活性硫和多硫化物完全被困在壳体内，使硫不容易在电解液中溶解多硫化合物在电极堆积。该制备方法简易，以水为溶剂，成本低廉，环境友好，具有较高的商业价值。

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种磷酸锂包覆硫/碳复合材料的制备方法。

背景技术

由于锂硫电池具有高理论比容量，价格低廉，环境友好等优点，最近几年来成为了研究热点。在众多的电化学储能体系中，锂硫电池被认为是一种极具开发前景的新一代二次电池。为了使锂硫电池商业化，寻找一种具有优异的电化学性能的正极材料是个关键因素。与传统的钴酸锂/石墨体锂离子电池比较，锂硫电池正极具有1675mAh g^-1的理论比容量且其理论比能量更是高达2500Wh Kg^-1，是传统锂离子电池的5倍。然而由于在充放电过程中硫与电解液的接触，会导致硫的不断溶解，产生的多硫化合物堆积在负极，电池循环稳定性差，这些缺点大大限制了它的商业化。

因此，寻找一种能抑制硫不断减少和多硫化合物堆积的材料与硫复合，借此来提高锂硫电池的电化学性能。

发明内容

本发明针对锂硫电池在充放电过程中单质硫的不断减少，多硫化合物堆积在电极等问题，提出了一种磷酸锂包覆硫/碳复合材料的制备方法，采用溶液热法结合热处理的方法制备了“核壳”结构的Li₃PO₄-S/C复合材料作为锂硫电池正极材料，能有效解决锂硫电池时循环性能不佳的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种磷酸锂包覆硫/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤；

S1、将配制的多硫化钠溶液加入含有PEG的去离子水中，调节pH值，得到淡黄色溶液A；

S2、在HCOOH溶液中加入碳源，得到溶液B；

S3、按体积比，将1:(1-5)溶液A和溶液B搅拌混合，直至硫/碳复合物完全析出，得到悬浮液C；

S4、按质量比1：(0.5-5)，混合NH₄H₂PO₄和锂源，加入到50-100ml悬浮液C，形成混合液，加热混合液直至水分挥发，得到反应生成物；

S5、将反应生成物热处理得到Li₃PO₄-S/C复合材料。

优选的，步骤1中，按质量比1:(0.5-2)，将升华硫和九水硫化钠混合到去离子水中搅拌得到多硫化钠溶液；

按体积比1:(3-10)，将多硫化钠溶液与含有PEG的去离子水混合，采用NaOH溶液调节pH值，得到淡黄色溶液A。

优选的，步骤2中，溶液B的制备方法如下，将0.1-0.6g的碳源和(50-200)mL的HCOOH混合，得到溶液B，其中HCOOH溶液中PEG浓度为0.5-2mol/L。

优选的，所述碳源为SuperP、石墨烯或碳纳米管。

优选的，步骤3中，将溶液A以5-60滴/分钟的速度滴入处于搅拌状态下的溶液B中，得到悬浮液C。

优选的，步骤4中所述锂源为Li(OH)₃或CH₃COOLi。