[发明专利]复合碳材料、自支撑集流体、制备方法及锂硫电池

说明书

本发明提供一种复合碳材料、自支撑集流体、锂硫电池及制备方法。其中复合碳材料包括多孔碳、一维纳米碳材料和金属粒子，所述一维纳米碳材料一端固定于所述多孔碳表面；所述一维纳米碳材料包括碳纳米管，所述碳纳米管远离所述多孔碳的一端由所述金属粒子封端。本发明的碳复合材料，可以防止渗硫过程中硫的渗入及充放电过程中多硫离子进入到碳纳米管内部，造成活性物质的损失，可以定向引导硫化锂的均匀沉积，有利于充电过程中Li₂S向多硫化锂转化不会随着循环次数的增加而造成结构的破坏，提高电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂电池领域，具体涉及复合碳材料、自支撑集流体、其制备方法及包含该复合碳材料或自支撑集流体的锂硫电池。

背景技术

锂硫电池在充放电过程中会不断经历溶解-沉积的过程，这种机制导致了多硫离子严重的穿梭效应，同时Li₂S的不均匀沉积的缓慢动力学极大地降低了锂硫电池的容量和循环寿命。现有技术主要是从材料端进行解决，通过包覆过渡金属氧化物、高分子导电聚合物及双碳层包覆、掺杂过渡金属氧化物等技术手段来抑制多硫化物的穿梭，这些包覆物是通过物理吸附以及微弱的化学吸附对多硫离子的穿梭进行抑制，但是由于抑制能力较弱，多硫离子呈现不均匀的分布，使得Li₂S的沉积不均匀，一方面造成活性物质的损失，另一方面由于Li₂S的电子绝缘性及离子绝缘性，导致整个电极导电性降低，电池循环稳定降低，电池容量难以发挥。

发明内容

为克服以上述问题，本发明提供一种复合碳材料、自支撑集流体及其制备方法和包含该复合碳材料或自支撑集流体的锂硫电池。

本发明一方面提供一种复合碳材料，包括多孔碳、一维纳米碳材料和金属粒子，所述一维纳米碳材料一端固定于所述多孔碳表面；所述一维纳米碳材料包括碳纳米管，所述碳纳米管远离所述多孔碳的一端由所述金属粒子封端。

本发明另一方面提供一种自支撑集流体，包括上述复合碳材料。

本发明另一方面还提供一种锂硫电池，包括上述复合碳材料或上述自支撑集流体。

本发明另一方面又提供一种复合碳材料的制备方法，包括：将催化剂或催化剂前驱体负载于多孔碳，形成预处理的多孔碳；及通过化学气相沉积法在所述预处理的多孔碳表面原位生长一维纳米碳材料碳形成复合碳材料，所述化学气相沉积法包括碳源的流速为50sccm～200sccm、反应时间为30min～60min，温度为700℃～850℃。

本发明另一方面再提供一种自支撑集流体的制备方法，包括：将催化剂或催化剂前驱体负载于多孔碳，形成预处理的多孔碳；通过化学气相沉积法在所述预处理的多孔碳表面原位生长一维纳米碳材料形成复合碳材料，所述化学气相沉积法包括碳源的流速为50sccm～200sccm、反应时间为30min～60min，温度为700℃～850℃；及将所述复合碳材料分散溶剂中，抽滤烘干后得到所述自支撑集流体。

本发明的碳复合材料，其中碳纳米管一端固定于多孔碳材料表面，碳纳米管远离多孔碳的一端由金属粒子封端，一方面，可以防止渗硫过程中硫的渗入及充放电过程中多硫离子进入到碳纳米管内部，造成活性物质的损失；另一方面，对碳纳米管封端的金属粒子与碳纳米管相对应，由于碳纳米管在多孔碳表面的均匀分布且固定于多孔碳材料表面，因而可使金属粒子均匀分布于多孔碳表面且金属粒子不会因充放电过程而团聚，从而可以在电池的整个使用期间定向引导硫化锂的均匀沉积。再者，复合碳材料中的一维纳米碳材料的柔韧性可以适应放电过程中的体积膨胀，使得碳纳米管顶端的金属粒子在充放电过程中仍然可以在多孔碳表面均匀分布，有利于充电过程中Li₂S向多硫化锂转化不会随着循环次数的增加而造成结构的破坏，提高电池的循环稳定性。另外，由于碳纳米管的优良导电性从而提高碳复合材料的导电性，进而提高活性物质的利用率和电池的循环性能。