[发明专利]一种电池正极材料及其制备方法、一种锂硫电池

说明书

本发明提供了一种电池正极材料及其制备方法、一种锂硫电池，通过将蔗糖加入浓硫酸进行脱水碳化，获得含有浓硫酸的多孔碳材料，通过浸泡洗涤至中性去除浓硫酸，在惰性气氛下焙烧获得多孔碳，然后用球磨机球磨制备出微纳米多孔碳粉体。该方法制备出的微纳米多孔碳粉体具有均匀微纳米孔结构和高比表面积。最后，通过熏硫负载硫单质，得到多孔碳负载硫复合正极材料。碳的微纳米、多孔结构有助于负载更多的硫单质，提供大量活性位点，抑制多硫化物穿梭。该多孔碳负载硫用作锂硫电池正极材料，具有较高的比容量、较好的倍率性能和循环稳定性。此外，本发明制备方法的工艺条件温和，步骤简单，产率高，成本低。

技术领域

本发明属于锂硫电池新能源材料技术领域，具体涉及一种电池正极材料及其制备方法、一种锂硫电池。

背景技术

锂硫电池是一种以金属锂为负极、单质硫为正极的二次电池，放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极反应和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的工作电压。锂硫电池有较高的理论比容量(1675mAhg^-1)，这远大于现阶段所使用的任何商业化二次电池。近年来，锂硫电池因具有高能量密度和髙理论容量等特点，成为高能新型二次电池的主要研究方向之一。又因其电极活性物质单质硫廉价、资源丰富、环境友好，使得锂硫电池极具商业价值。

然而，当前锂硫电池却面临很大的挑战：单质硫的电子导电性和离子导电性差，单质硫在室温下的电导率极低(5.0×10^-30s cm^-1)，反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S也是电子绝缘体，不利于电池的在高倍率下充放电；由于单质硫正极材料及其放电产物硫化锂导电性差，正极材料充放电过程中的体积效应及其与锂离子形成的多硫化物易溶于有机电解液中，以及多硫化物的“穿梭效应”等问题，致使电池中硫的利用率低、循环性能差、倍率性能差。

针对以上问题，目前主要的解决办法是从电解液和正极材料两个方面入手。电解液方面，主要是用醚类的电解液作为锂硫电池的电解液，向电解液中加入一些添加剂(如含氟醚类电解液添加剂，Li₂SP₂S₅添加剂等))，这样可以有效地缓解多硫化锂的溶解问题。正极材料方面，主要是将硫和多孔碳复合，或者多硫化物与多孔碳结合，外层再用导电高分子聚合物包覆，这样可以提高硫复合正极材料的导电性，同时缓解充电过程中产生的体积膨胀问题。2018年，陆胜等人公开了中国发明专利“一种三维多孔碳结构锂硫电池正极复合材料的制备方法”(公开号CN108695497A)，该专利利用自发泡法构筑一种具有多级孔结构的三维碳骨架，作为活性物质单质硫的载体，与单质硫复合后，再采用原位聚合的方法，在其表面包覆上导电高分子聚合物，作为复合电极材料用于锂硫电池正极，表现出较好的电化学性能。同时，Sun Qiang等人在Materials Letters(2019,246,165-168)期刊中报道了一种“热处理辅助的可扩展合成介孔碳用于高性能锂硫电池”，得到的介孔碳具有良好的多孔结构，比表面积大，该介孔碳作为锂硫(Li-S)电池的硫载体，锂硫电池性能得到显著提高。现有专利和文献报道的锂硫电池正极材料虽然表现出较好的循环性能，但这些材料的制备方法较复杂，造孔均匀性还难以控制，多孔碳内部的孔洞仍不能很好地束缚硫负离子。同时，锂离子在电极材料中的传输仍然比较困难，难以有效阻止多硫化物向电解液的扩散和“穿梭效应”，导致碳-硫复合物正极的循环稳定性和倍率性较差，不能满足实际应用的需要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种电池正极材料，为微纳米多孔碳粉体负载硫复合材料，微纳米多孔碳具有大的比表面积，有利于电子和锂离子传输，可负载更多的硫活性物质。

本发明的另一目的在于提供一种电池正极材料的制备方法，利用价格低廉的蔗糖为原料制备得到微纳米多孔碳，将制备的微纳米多孔碳熏硫获得复合材料，锂硫电池正极材料，制备工艺简单、产率高、成本低。

本发明最终目的在于提供一种锂硫电池，包括上述电池正极材料。