[发明专利]一种锂硫电池类石墨烯负载渗碳体颗粒复合正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂硫电池类石墨烯负载渗碳体颗粒复合正极材料及其制备方法，所述复合正极材料由具有类石墨烯结构的Fe₃C/C与单质硫复合而成，单质硫分散在Fe₃C/C的孔隙中；本发明以木槿花花瓣为原材料，经过预碳化处理，得到类石墨烯结构的生物炭，再将其与高铁酸钾复合经过热处理，其中高铁酸钾作为造孔剂并提供铁源，一步合成了类石墨烯结构的Fe₃C/C复合材料。本发明通过具有高的比表面积、发达的孔隙结构的类石墨烯结构的Fe₃C/C与单质硫复合，兼具物理吸附和化学吸附，有效地捕捉多硫化物，解决充放电过程中“穿梭效应”，提高电极表面电化学稳定性，最终提升电极材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料技术领域，涉及一种由类石墨烯结构的Fe₃C/C与单质硫复合得到的锂硫电池复合正极材料及其制备方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益加剧，新型可再生能源的开发受到人们的广泛关注。锂硫电池由于具有高的理论比容量(1675mAh/g)与理论能量密度(2600wh/kg)受到人们的广泛关注，同时正极活性物质单质硫的价格低廉、环境友好、储量丰富易开采，因而被认为是下一代高能量密度锂离子电池的最佳选择之一，使其有望成为下一代储能器件获得应用。

但是锂硫电池的商业化应用仍受到多个方面的限制：一方面是单质硫本身的电子导电率过低(5×10^-30S cm^-1在25℃)，存在严重的极化，使得电子在活性材料表面的传输效率低下，严重制约着电池性能的提升；另一方面是活性硫在放电的过程中会分解产生可溶于电解液的多硫化物等中间产物，从而引起较严重的“穿梭效应”严重降低了电池的充放电比容量及和库伦效率；此外，硫在充放电过程中将出现严重的体积膨胀。这些问题都极大地限制了锂硫电池的商业应用。

针对锂硫电池中的上述问题，研究者提出以导电材料(多孔碳、导电聚合物、金属氧化物等)作为载体与单质硫复合，以提高其导电性能。其中，多孔碳材料具有良好的导电性、发达的孔隙结构，其中大孔能够为活性物质的附着提供位点，介孔将为离子的穿梭提供通道，微孔将对多硫化物有物理束缚能力，是电极活性物质的理想载体。将单质硫分散在碳材料中形成硫碳复合材料，已被广泛应用于锂硫电池正极材料的研究中。例如，2016年，张治安等人公开了中国发明专利“一种锂硫电池用类石墨烯碳材料/硫复合正极材料及其制备方法和应用”(公开号CN 106058173 A)，该发明由具有微纳米结构的三维多孔类石墨烯碳材料与单质硫复合而成，三维多孔石墨烯具有导电性好、大比表面积等优点，它们之间可以桥搭成天然的导电网络，有利于电子传导和锂离子的扩散，对稳定电极结构产生积极的意义。虽然碳材料既增加了正极的导电性，又通过内部多孔结构限制多硫化物的穿梭效应和硫的体积膨胀，在一定程度上提高了锂硫电池的电化学性能，但是仅仅是物理的限制作用无法真正的将多硫化物牢牢的束缚在正极。最终还是会出现穿梭效应，造成电池循环中容量的衰减。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种锂硫电池类石墨烯负载渗碳体颗粒复合正极材料，通过具有高的比表面积、发达的孔隙结构的类石墨烯结构的Fe₃C/C与单质硫复合，兼具物理吸附和化学吸附，有效地捕捉多硫化物，解决充放电过程中“穿梭效应”，提高电极表面电化学稳定性，最终提升电极材料的电化学性能。

本发明的另一目的在于提供了上述锂硫电池类石墨烯负载渗碳体颗粒复合正极材料的制备方法，材料来源广泛且价格低廉，制备方法简单可行。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂硫电池类石墨烯负载渗碳体颗粒复合正极材料，由具有类石墨烯结构的Fe₃C/C与单质硫复合而成，所述单质硫分散在Fe₃C/C的孔隙中。