[发明专利]硫碳复合材料、其制备方法、含有其的锂硫电池正极材料和锂硫电池

说明书

本发明提供了一种硫碳复合材料、其制备方法、含有其的锂硫电池正极材料和锂硫电池。该制备包括：制备硫溶胶；将碳材料和硫溶胶的体系利用超声混合形成混合体系；将混合体系静置预定时间后去除沉淀和溶剂，得到硫碳复合材料，其中，碳材料为活性炭、介孔碳、乙炔黑和碳纳米管。由于硫溶胶的制备为物理凝聚法能耗低，制备过程中无固态物质损失，且不使用有害物作原材料同时也无有毒物生成，因此制备过程环保。形成的纳米硫被吸附在碳材料的孔结构中或表面上形成硫碳复合材料，其中的碳可以在一定程度上抑制多硫化物的溶解，从而改善了锂硫电池的电化学性能。本申请的制备方法具有制备过程简单、能耗低、产品均一性好、产率高、环境友好等优点。

技术领域

本发明涉及锂硫电池材料制备技术领域，具体而言，涉及一种硫碳复合材料、其制备方法、含有其的锂硫电池正极材料和锂硫电池。

背景技术

随着电动汽车产业和大型移动设备的持续发展，人们对化学电源的要求也在不断提高。传统的锂离子电池，受其电极材料的限制，能量密度难以突破350Wh/kg，因此，开发新型可替代性的二次绿色化学电源迫在眉睫。锂硫电池能量密度高(2600Wh/kg)，且单质硫价格低廉、可再生、绿色环保，成为近年来的研究热点。

然而，锂硫电池的商业化应用进程却并不理想，主要原因是锂硫电池在充放电过程中产生的多硫化锂易溶于电解液，多硫阴离子在电场力驱动下往返于正负极之间产生“飞梭效应”，从而造成大量活性物质的不可逆损失，并降低电池的充放电效率；其次，单质硫在锂化过程中会发生体积变化，破坏电极的结构形貌，降低电池循环性能；再者，室温下的硫单质为电子绝缘体，其电子电导率低，电化学反应活性差，严重影响电池的倍率性能。

针对以上问题，科研人员对硫正极材料进行了系列改性研究，通常采用碳材料作为负载单质硫的基材制备具有特殊结构的硫碳复合材料。选择合适的碳基材(多孔碳、导电石墨、碳纳米管、石墨烯等)能在一定程度上抑制多硫化物溶解，弱化“飞梭效应”，提高硫正极的导电性，从而改善锂硫电池的电化学性能。

硫碳纳米复合材料的制备方法通常包括固相熔融法、气相沉积法和液相合成法三种。其中，熔融法和气相法皆需要在高温、惰性气氛或者真空条件下合成，能耗较高，实验条件苛刻，且不同批次合成出的材料性能有差异，不易产业化生产。液相合成法通常利用化学反应制备单质硫，并在合成过程中与碳材料复合，在制备过程中，会产生H₂S、SO₂等有毒气体，对环境造成污染。

综上所述，本领域迫切需要开发一种成本低、简单易行、可批量生产并且绿色环保的锂硫电池用正极材料制备方法。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种硫碳复合材料、其制备方法、含有其的锂硫电池正极材料和锂硫电池，以解决现有技术中硫碳复合材料制备成本高、不环保的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种硫碳复合材料的制备方法，包括：制备硫溶胶；将碳材料和硫溶胶的体系利用超声混合形成混合体系；将混合体系静置预定时间后去除沉淀和溶剂，得到硫碳复合材料，其中，碳材料为活性炭、介孔碳、乙炔黑和碳纳米管。

进一步地，上述超声混合时，超声功率为100～500W，时间为0.5～2小时。

进一步地，上述静置的预定时间为2～24小时，优选为8～12小时。

进一步地，采用依次进行的过滤和干燥来实现上述沉淀和溶剂的去除，优选干燥的温度为50～80℃，更优选干燥为真空干燥。

进一步地，上述硫溶胶中的硫和碳材料的质量比为1:1～9:1，优选为3:2～5:1。

进一步地，上述制备硫溶胶的过程包括：在40～80℃下将单质硫溶解在乙醇中得到硫的乙醇溶液；向硫的乙醇溶液中添加去离子水，得到硫溶胶，优选在60～70℃下将单质硫溶解在乙醇中得到硫的乙醇溶液。