[发明专利]一种共价硫碳化合物及其湿法化学原位合成方法及应用

说明书

本发明属于储能技术领域，公开了一种共价硫碳化合物及其湿法化学原位合成方法及应用，该合成方法是将硫源液体与脱硫剂一同置于耐高温耐高压的反应釜中，密封后，加热并在预先设定的目标温度下保温以进行反应，接着冷却并将反应产物依次经洗涤、干燥后即可得到共价硫碳化合物。本发明通过对合成方法的整体流程工艺设计、相应所采用的原材料等进行改进，采用廉价的硫源液体和脱硫剂为原料，在高温高压反应釜中反应，具有成本低，可控性强，操作简单且可大规模生产的特点。本发明合成方法得到的共价硫碳材料中共价硫含量尤其可高达36.9％，尤其可应用于在锂硫和钠硫电池中。

技术领域

本发明属于储能技术领域，更具体地，涉及一种共价硫碳化合物及其湿法化学原位合成方法及应用，制得的共价硫碳化合物尤其可应用于储能领域。

背景技术

近年来，我国新能源发展十分迅速。无论是太阳能发电，风力发电还是电动汽车领域都对高比能二次电池提出了迫切的需求。基于转换反应机制的锂硫电池是一种非常具有吸引力的高比能二次电池技术，它以S作为正极，比能量高(1675mAh g^-1)，资源丰富且环境友好，而负极匹配金属锂，具有非常高的能量密度(2600Wh kg^-1)。但是受限于锂资源的分布不均衡和相对匮乏性，无法满足大规模可持续发展的需求。而钠资源储量丰富，且与锂具有相似的化学性质，以钠金属为负极的室温钠硫电池具有较高的能量密度(1274Wh kg^-1)，可以满足大规模储能应用的需求。

但是室温钠硫电池在实际应用中面临着可逆容量低和容量衰减快的挑战。其中，可逆容量低主要是由于硫的低电子导电率(5*10^-30S cm^-1)且硫与钠反应动力学缓慢，导致硫的利用不充分及还原不完全。而容量衰减主要来源于硫与钠反应的中间产物多硫化钠的溶解和穿梭效应造成的活性物质流失，以及在放电过程中体积的膨胀导致的结构坍塌。而通过将硫与碳基底共价键合可以有效解决这些问题。这种硫碳结构可以确保硫与碳基底充分电接触，从而提高硫的利用率。同时，硫碳结构中的硫一般为短链硫，在放电过程中可以直接被转换的短链硫化物，从容避免了多硫化物的生成与溶解问题。

目前，共价硫碳材料在室温钠硫电池领域的研究较少，且大部分共价硫碳材料是通过单质硫与有机前驱体(如聚丙烯腈)在高温下经过脱氢加硫过程而制得的，是一种非原位碳硫共价键合策略。这些合成方法较复杂且可控性差，同时不可避免的会有一些硫吸附在表面或者孔内，不能保证所有的硫都与碳共价键合，这些单质硫可能会对钠硫电池的电化学性能产生不利影响。同时，合成过程中会有大量单质S直接受热升华损失而未参与反应，造成原材料的浪费。另外，这些方法由于要保证产物中具有较高的硫含量，通常热处理温度较低(400℃以下)，因而碳化程度较低，导电率较低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种共价硫碳化合物及其湿法化学原位合成方法及应用，其中通过对合成方法的整体流程工艺设计、相应所采用的原材料等进行改进，采用廉价的硫源液体(如二硫化碳、硫醇类有机液体等)和脱硫剂为原料，在高温高压反应釜中反应，具有成本低，可控性强，操作简单且可大规模生产的特点。并且，本发明合成方法得到的共价硫碳材料中共价硫含量尤其可高达36.9％，且在室温钠硫电池中表现出非常优异的电化学性能(目前文献水平最优)，具有较高实用价值(当然也可应用于锂硫电池中)。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种共价硫碳化合物的湿法化学原位合成方法，其特征在于，该方法是将硫源液体与脱硫剂一同置于耐高温耐高压的反应釜中，密封后，加热并在预先设定的目标温度下保温以进行反应，接着冷却并将反应产物依次经洗涤、干燥后即可得到共价硫碳化合物；

其中，所述硫源液体室温下呈液态，同时含有硫元素与碳元素，且硫元素与碳元素之间通过共价键相连。

作为本发明的进一步优选，所述硫源液体为二硫化碳，所述二硫化碳的体积占所述反应釜容积的25％～50％。