[发明专利]一种膨润土/硫复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种膨润土/硫复合材料及其制备方法和应用，所述膨润土/硫复合材料包括膨润土，所述膨润土层间的无机插层剂和有机插层剂衍生的导电碳插层，至少部分覆盖于改性膨润土表面的导电碳，以及负载的硫。根据本发明的膨润土/硫复合材料，具有高效的离子通道和导电网络结构，能够提高锂硫电池正极的载硫量，并促进正极中离子/电子的传输，强化正极中电化学反应动力学，从而有效提高了锂硫电池复合正极的放电比容量、循环稳定性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于电池领域，尤其涉及一种膨润土/硫复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着便携式电子设备和电动汽车等技术的飞速发展，低成本、高能量密度、长循环寿命的二次电池技术越来越成为了电化学储能研究的重点和热点。锂硫电池理论能量密度高达2600Wh/kg，且硫资源丰富、价格低廉、环境友好，因而被认为是最具潜力的二次电池体系之一。但是，锂硫电池还存在硫单质和放电终产物不导电、多硫化锂(LiPS)的“穿梭效应”以及硫正极体积效应等固有问题，其实际应用面临着极大挑战。近年来，人们为了解决这些问题做出了许多努力，主要是将硫负载到介孔/微孔碳、碳纳米管、石墨烯等碳材料，金属氧/硫化物，MOFs以及MXene等载体中，从而提高硫正极的导电性和/或抑制“穿梭效应”。虽然这些方法在一定程度上提高了锂硫电池的性能，但是这些方法所采用的材料大都存在成本较高，且难以实现大规模工业化生产等问题。

天然膨润土粘土矿物材料具有良好的阳离子交换性能、吸附性能、热稳定性、化学稳定性和机械稳定性，而且廉价易得，环境友好。因此，膨润土可以作为锂硫电池硫正极的载体材料。

中国专利(申请号CN201410074920.8)公开了一种锂硫电池正极复合材料，该材料包含以下重量份数的组分：膨润土4份、单质硫3～6份。但该复合材料仅通过膨润土与硫单质的简单复合制得，还存在导电性能差，膨润土层间离子传输通道结构杂乱无序等问题，难以制备高能量密度、高倍率性能的锂硫电池正极材料。现有技术中，Chen Wei等(Chen,W.；Lei,T.；Lv,W.；Hu,Y.；Yan,Y.；Jiao,Y.；He,W.；Li,Z.；Yan,C.；Xiong,J.AtomicInterlamellar Ion Path in High Sulfur Content Lithium-Montmorillonite HostEnables High-Rate and Stable Lithium-Sulfur Battery.Advanced Materials 2018,30,1804084.)报道了一种锂化膨润土/硫复合锂硫电池正极材料及其制备方法，所述方法首先通过阳离子交换法将天然钙基膨润土层间的阳离子置换成锂离子，制备得到锂化膨润土载体，然后通过简单的熔融扩散法在锂化膨润土载体上负载硫单质(锂化膨润土与硫单质的质量比为1:4)，所制备得到的复合正极材料具有优异的循环稳定性能和倍率性能。然而，锂化膨润土/硫复合正极材料同样存在导电性能差，膨润土层间离子传输通道狭窄等问题。

发明内容

本发明的目的在于至少解决上述现有技术存在的技术问题之一。

因此，本发明的一个方面在于提供一种膨润土/硫复合锂硫电池正极材料，其可以解决膨润土/硫复合正极存在的导电性能差以及离子传输通道狭窄的问题。

具体而言，本发明涉及的一种膨润土/硫复合材料，其包括膨润土，所述膨润土层间的无机插层剂和有机插层剂衍生的导电碳插层，至少部分覆盖于改性膨润土表面的导电碳，以及负载的硫；其中，所述有机插层剂选自壳聚糖、丙烯酰胺及有机季铵盐阳离子或其组合；所述膨润土层间的导电碳是由所述无机插层剂和有机插层剂碳化得到的；所述覆盖于改性膨润土表面的导电碳是由含氮的碳前驱体碳化得到的，所述含氮的碳前驱体选自聚多巴胺或壳聚糖；所述硫在复合材料中的重量百分含量大于等于55％。

在一种优选实施方式中，根据本发明的膨润土/硫复合材料，其中，所述无机插层剂选自聚合羟基铝离子、聚合羟基铁离子、聚合羟基铬离子、聚合羟基钴离子、聚合羟基镍离子、聚合羟基锆离子或其组合。