[发明专利]一种铁硫化物@硫杂化多孔碳正极前驱体材料及其载硫正极活性材料的制备和应用

说明书

本发明涉及锂硫电池材料领域，具体提供了一种铁硫化物@硫杂化多孔碳正极前驱体材料，其为由若干模板刻蚀孔构成的具有通孔结构的多孔碳；且所述的多孔碳的碳骨架为硫杂化的无序化碳；且所述的碳骨架中原位弥散分布有活性颗粒；所述的活性颗粒包含石墨化碳以及原位镶嵌在其中的铁硫化物。本发明还提供了所述的材料的制备和在锂硫电池中的应用。本发明所述的材料在锂硫电池中具有良好的比容量、倍率和循环性能。

技术领域

本发明涉及电池电极材料制备领域，具体涉及一种锂硫电池正极用材料。

背景技术

在储能设备中，锂硫电池因其理论能量密度高(2600Wh/kg)，且正极材料活性物质成本低且环保，是下一代电池的较有希望的候选者。尽管锂硫电池具有这些优点，但在商业化过程中仍面临许多挑战，如硫的导电性差，正极活性物质在充放电过程中体积变化大(80%)，反应动力学慢。充放电过程产生的多硫化物溶解在电解液中，在无约束无吸附无催化转化的环境下会大量地从正极穿梭到负极，在负极侧形成短链的固相Li2S2/ Li2S。这导致活性材料的持续损耗，电极钝化，库仑效率低，因此被认为是限制锂电池实际使用的关键问题之一。人们做了许多努力来解决穿梭效应，引入催化剂加速多硫化物的吸附转化。

普通的碳材料表面通常是非极性的，这导致它们对极性多硫化物的亲和力相对较低，这将不利于限制多硫化物的穿梭。为此包括过渡金属氧化物、硫化物和碳化物在内的纳米无机化合物与多硫化物具有很强的化学亲和力，能更有效地阻断多硫化物的扩散，同时这些纳米无机化合物能够有效的催化多硫化物的转化。金属硫化物如硫化铁等由于其较高的导电性及较强多硫化物吸附力，被诸多研究者用来改善锂硫正极性能。其中富含的目前，在使用金属硫化物来改善锂硫正极性能方面，普遍存在制备工艺复杂，硫化铁比表面积较小即载硫量较低等问题。

现有技术已报道用于锂硫电池的硫化铁的制备方法但其所获得的硫化铁为微米级，比表面积过小，与碳基底非原位结合。充放电过程中反应界面不足，导致电池极片中硫载量过低，同时采用石墨烯、碳纳米管作为碳基底成本高昂，不利于锂硫电池的实用化推广。

发明内容

为克服上述现有技术的不足之处，本发明第一目的在于提供一种铁硫化物@硫杂化多孔碳正极前驱体材料（本发明也简称为前驱体材料），旨在提供一种可适用于锂硫电池，改善锂硫电池电学性能的材料。

本发明第二目的在于，提供一种铁硫化物@硫杂化多孔碳正极前驱体材料的制备方法。

本发明第三目的在于，提供一种在所述的铁硫化物@硫杂化多孔碳正极前驱体材料中载硫得到的锂硫电池正极活性材料。

本发明第四目的在于，提供一种所述的锂硫电池正极活性材料的制备方法。

本发明第五目的在于，提供一种所述的复合正极活性材料在锂硫电池中的应用。

本发明第六目的在于，提供一种添加有所述的复合正极活性材料的锂硫电池。

一种铁硫化物@硫杂化多孔碳正极前驱体材料，为由若干模板刻蚀孔构成的具有通孔结构的多孔碳；且所述的多孔碳的碳骨架为硫杂化的无序化碳；且所述的碳骨架中原位弥散分布有活性颗粒；所述的活性颗粒包含石墨化碳以及原位镶嵌在其中的铁硫化物。

本发明所述的特殊成分以及特殊原位形貌的前驱体材料，将其载硫后用作锂硫电池中能够表现出优异的导电性、多硫化物催化性，能够表现出优异的容量、倍率以及循环性能。