[发明专利]一种多孔碳/硫复合材料、制备方法及其应用

说明书

本发明提了一种多孔碳/硫复合材料、制备方法及其应用，本发明将粉状米糊分散到浓硫酸中进行脱水碳化，得到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，再经球磨获得微纳米多孔碳。与现有技术相比，本发明提供的制备方法，工艺条件温和、操作步骤简单、产率高、成本低。获得的微纳米多孔碳材料具有均匀微纳米孔结构和比表面积大的优点，该微纳米多孔碳负载硫后作为锂硫电池正极材料，具有良好的导电性，纳米级的多孔结构能够有效抑制充放电过程中的体积效应和“穿梭效应”，从而使该锂硫电池具有比容量高，倍率性能好和循环稳定性好等优点。同时作为碳源的米粉充足且价格低廉易得，制备方法简单可行。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种多孔碳/硫复合材料、制备方法及其应用，用于制作锂硫电池正极。

背景技术

锂硫(Li-S)电池因其在二次电池中具有较高的比容量(1675mAh g^-1)和能量密度(2600 Whk g^-1)，在下一代储能器件中越来越受到人们的关注。此外，天然丰富、低成本、环保的单质硫作为一种商业上可行的锂硫电池正极材料有着巨大的应用前景。虽然单质硫正极材料的比容量和能量密度较高，但是锂硫电池在实际应用中存在倍率性能差、硫利用率低和容量衰减快问题，这主要因为充放电过程中产生的多硫化锂(Li₂S_x,4≤x≤8)的溶解-迁移不可控，即多硫离子的“穿梭效应”。多硫化锂在大多数电解质中具有较高的溶解性，这对于提高硫的电化学活性和氧化还原动力学是必要的。但是，锂硫电池中使用的传统多孔聚烯烃隔膜无法将多硫化物限制在阴极区域，导致多硫化物容易穿过隔膜并在锂阳极上沉积，造成活性物质的不可逆损失和金属锂的腐蚀。

为了解决多硫离子的“穿梭效应”，研究人员探索了多种方法，包括构建含硫阴极、改变电解质、保护锂阳极以及开发新型功能隔膜/中间层。其中，合理设计构建含硫正极材料是提高锂电池性能的一种有效途径。由于高导电性的多孔碳可以作为“集电极”重新激活被捕获的聚硫化物，因此多孔碳材料常被用作中间层材料。但由于非极性碳与极性多硫化物相互作用力较弱，在浓度梯度和电极间化学电位差的驱动下，物理吸附的多硫化物有向电解液中扩散的趋势，导致容量严重衰减。实验和理论研究证明，多孔碳可以通过弱化学键作用捕获多硫化物，在动力学上为促进多硫化物的转化提供了可能。但需要注意的是，多硫化物在电化学反应中需要与电子相遇，并且由于其导电性较差，使得固定多硫化物的转化受到阻碍，导致硫的利用率较低。

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电池的电解液，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)，可以有效地缓解多硫化合物的溶解问题。正极材料方面，主要是把硫和多孔碳复合，或者进一步用导电高分子聚合物包覆多硫化物与多孔碳的复合材料，可以解决硫的不导电和体积膨胀问题。