[发明专利]含三维互穿复合碳材料的锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池

说明书

本发明公开了含三维互穿复合碳材料的锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池。该复合碳材料具有三维互穿网络结构，是由碳纳米管和ZIF‑67衍生分级孔碳多面体内部互穿而成，以活化处理的碳纳米管为骨架，在其表面生长ZIF‑67，经高温烧结将ZIF‑67碳化为分级孔碳多面体。锂硫电池正极活性材料的制备方法包括：按质量比1:4称取上述复合碳材料和单质硫，均匀分散于CS₂溶液中，搅拌至溶剂挥发完全，采用熔融法将混合物中的单质硫渗入到碳结构内部。正极极片由质量比为8:1:1的上述正极活性材料、超导碳、粘结剂组成。锂硫电池主要由该正极极片、隔膜、电解液和锂金属负极组成。

技术领域

本发明属于碳材料及锂硫电池制备技术领域，涉及含三维互穿复合碳材料的锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池。具体是涉及一种ZIF-67衍生三维互穿网络碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法，以及采用该锂硫电池正极活性材料制成的正极极片和锂硫电池。

背景技术

目前，商业化锂离子电池的实际能量密度偏低，难以满足社会发展对高端电子设备、电动汽车等对高能量密度的需求。因此，发展新型的高能量密度二次电池体系势在必行。锂硫电池以单质硫作为正极活性物质、以金属锂作为负极，理论放电比容量可达1675mAh/g，理论能量密度可达2600Wh/kg，被视为最有希望取代锂离子电池的高能量密度二次电源之一，近年来得到了国内外研究者的广泛关注。

然而，锂硫电池正极在实用化过程中依然存在诸多问题亟待解决：

(1)单质硫的导电性差，难以保证电化学反应的完全可逆进行；

(2)放电中间产物聚硫锂在电解液中的溶解和飞梭，导致活性物质的持续不可逆流失；

(3)放电过程中巨大的体积变化，导致电极结构坍塌，电池实效等。

上述问题的合理有效解决将会大力促进锂硫电池的实用化进程。

正极载硫基体的合理设计与构建能够有机解决上述问题：

首先，碳材料优异的导电性能够显著提高复合碳硫正极的电子导电能力，确保电化学反应的快速有效进行；

其次，碳基材料通常具有较大的孔体积与比表面积，能够在充放电过程中缓冲体积膨胀，保证电极结构的稳定性；

此外，碳材料与聚硫锂之间的物理吸附作用能够限制聚硫锂的溶出，从而抑制活性物质的飞梭。

纵观目前对锂硫电池正极载硫碳基体的相关研究报道，大部分的碳材料制备过程复杂难以实现量产，且无法形成有效的三维导电网络。

发明内容

本发明提供了含三维互穿复合碳材料的锂硫电池正极材料及制备方法、含其的正极极片和锂硫电池。将含三维互穿的复合碳材料作为载硫基体应用于锂硫电池正极，用于克服单质硫在充放电过程中的导电性差、体积膨胀及聚硫锂的飞梭效应等问题，从而实现锂硫电池优异的循环性能和倍率性能、较高的库伦效率、以及较高电流密度下的长周期循环性能。

本发明提供含三维互穿复合碳材料的锂硫电池正极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)以平均直径为20nm的多臂碳纳米管为骨架，经过硝酸活化处理后采用原位生长方法在其表面生长ZIF-67纳米多面体，获得CNTs/ZIF-67前驱体；

将多臂碳纳米管均匀分散在体积比为3:1的去离子水、浓硝酸混合溶液中，超声至碳纳米管均匀分散；将所得分散液置于冷凝回流装置中，恒温水浴搅拌，最后用去离子水和无水乙醇反复清洗所得产物并离心收集，干燥，获得活化处理的多臂碳纳米管；