[发明专利]一种硫碳复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种用作锂硫电池电极的复合材料的制备方法，包括：1)将甲酰胺或溶有金属盐的甲酰胺溶液置于高压反应釜中，一定温度下反应，得到黑色粉末状产物；2)将所述黑色粉末状产物进行纯化，即得甲酰胺衍生碳；3)将所述甲酰胺衍生碳与硫粉按一定质量比混合得到混合物，并将所述混合物与一定量的极性溶剂混合，一定温度下研磨，得到研磨产物；4)将研磨产物真空干燥，去除溶剂即得甲酰胺衍生碳/硫复合材料。本发明还提供了由复合材料制备的电极及锂硫电池。本发明提供的复合材料在锂硫电池充放电过程中对多硫化锂造成强吸附，有效的避免“穿梭效应”对电池的影响。

技术领域：

本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种锂硫电池用的硫/碳复合正极材料的制备方法及应用。

背景技术：

锂硫电池是极具应用前景的电化学储能体系，被视为下一代高能量密度电池体系的理想选择之一。如锂硫(Li-S)电池的理论比容量和比能量分别高达1675mAh/g和2600Wh/kg，是一种非常有前景的锂电池。以铝合金或者铝箔为负极组成的铝硫(Al-S)电池，具有1672mAh/g的高比容量，原材料价格低廉。此外，硫的储量较为丰富，价格低廉，环境友好。

然而Li-S电池的实际应用仍面临着诸多问题，尤其是在充放电过程中产生的中间产物多硫化物，以金属锂负极为例，产生的多硫化锂(Li₂S_x，4≤x≤8)极易溶于有机电解液，透过隔膜扩散到金属锂负极，之后在负极表面还原为短链多硫化锂(Li₂S_x，2≤x≤3)或者硫化锂等产物，短链多硫化锂又会扩散到正极，在充电时被氧化。该过程被称为“穿梭效应”，引发诸多不利因素，如：活性物质的利用率降低，循环性能差，自放电严重等。Li-S电池充放电时，正极材料中的硫与多硫化锂相互转化导致高达79％的体积膨胀/收缩，正极形貌和结构加剧变化使得硫与骨架的脱离，造成容量瞬速衰减，严重时则直接使电池损坏。传统的Li-S电池采用活性炭材料进行高温蒸硫作为正极，然而活性炭并不能有效抑制Li-S电池的“穿梭效应”。因此，针对上述问题的一系列聚合物如聚吡咯、聚苯胺等的应用被广泛报道，相对于活性炭材料而言，聚合物属于柔性可伸缩材料，这有利于适应充放电过程中硫与多硫化锂相互转化时的分子体积膨胀/收缩。聚合物中的不饱和氮原子带有电负性，可以与带正电的锂离子相互作用，为锂硫电池充放电过程中多硫化锂的吸附具有明显效果。由此可见，有机碳材料中不饱和氮原子的存在是非常重要的。然而，目前出现的有机碳材料中含不饱和氮原子数量一直难以突破(原子质量分数约1％-10％)，这一定程度上限制了它在Li-S电池的应用。

发明内容：

为了提高Li-S电池的整体性能，对正极材料的设计主要从两点出发：一是解决硫正极体积膨胀导致的正极结构破坏，主要与材料本身属性有关，利用聚合物分子的柔性特征可以达到此目的。二是抑制电池的“穿梭效应”，这就要求提升材料中不饱和氮原子的数量，加强其电负性影响，使碳氮片段存在更多的共轭效应。这可以为电子传输创造有利条件，对多硫化锂的吸附作用更加明显。解决上述问题的意义在于：有效提高有机碳材料中不饱和氮原子的保留量，可以产生大量共轭结构，增强整体配位能力，极大的提升对多硫化锂的吸附效果。还可广泛应用于其他领域，如电池隔膜，金属离子吸附，电催化等。

本发明提供一种用作锂硫电池电极的复合材料的制备方法，包括：

1)将甲酰胺或溶有金属盐的甲酰胺溶液置于高压反应釜中，一定温度下反应，得到黑色粉末状产物；

2)将所述黑色粉末状产物进行纯化，即得甲酰胺衍生碳；

3)将所述甲酰胺衍生碳与硫粉按一定质量比混合得到混合物，并将所述混合物与一定量的极性溶剂混合，一定温度下研磨，得到研磨产物；

4)将研磨产物真空干燥，去除溶剂即得甲酰胺衍生碳/硫复合材料。