[发明专利]一种硫-根霉菌丝球碳/金属氧化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硫‑根霉菌丝球碳/氧化钴复合电极材料及其制备方法和作为锂硫电池的正极材料的应用，通过根霉菌丝培养，溶液浸渍，高温碳热还原等反应后生成了根霉菌丝球碳/氧化钴复合材料。将此复合材料作为宿主，通过熔融渗硫法，反应5‑16小时，得到硫‑根霉菌丝球碳/氧化钴复合电极材料。本发明硫‑根霉菌丝球碳/氧化钴复合电极材料本身廉价易获得，可大规模制备，且具有高比容量、高倍率性能及高循环寿命等优点，在移动通讯、电动汽车、智能电网和航空航天等领域均具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂硫电池的正极材料领域，具体涉及一种硫-根霉菌丝球碳/金属氧化物复合材料及其制备方法和作为锂硫电池的正极材料的应用。

背景技术

随着电动汽车、智能电网和便携式电子设备对储能技术需求的不断增长，二次电池正朝着高能量密度、高功率密度、小型化、轻量化的方向发展。基于插层机制的锂离子电池是目前商用储能技术中能量密度最高的一种，但目前已接近理论能量密度的极限。因此，迫切需要更高能量密度、更低生产成本的新型可充电电池。在潜在的替代品中，锂硫电池(LSBs)具有诱人的优势，如高能量密度(2600Wh kg^-1)、大理论容量(1675mAh g^-1)和低质量密度。尽管前景广阔，但它们的商业化路途仍充满荆棘：一是锂硫电池反应过程中生成可溶性多硫化锂中间体，产生穿梭效应，容量衰减严重，库仑效率降低；ii)反应过程中活性物质的体积变化导致电极结构坍塌，循环过程中容量迅速衰减；iii)S和产物Li₂S的固有绝缘性导致活性物质利用率低，电池性能差。鉴于此，必须采取适当的措施来克服这些不利因素。

硫碳复合策略能有效缓解上述问题。多孔碳基材料是一类重要的固硫材料，通过提高碳与多硫化物之间的亲和力来提高硫的导电性和降低“穿梭效应”。霉菌衍生碳基材料因其可大规模生产，形态多样性和原位掺杂异质原子而成为极好的宿主/活性材料。各种杂原子的掺杂会引入大量的活性位点，增加缺陷，增强电子电导率并提高化学吸附能力，从而可以增强储能和转化装置中的反应活性和电化学动力学。研究表明，在硫单质中添加过渡金属氧化物，可有效的抑制多硫化物的溶解和穿梭。此外，过渡金属氧化物还具有类贵金属的催化活性，能够促进多硫化物的催化转化过程，加速整体的电化学反应速度。上述的方案结合了多孔碳材料和过渡金属氧化物的双重优点，是构建高性能锂硫电池的有效策略。

发明内容

本发明的目的在于针对目前锂硫电池的电极材料导电性差，反应中间产物穿梭流失和电极反应前后体积变化大等问题，提供了一种硫-根霉菌丝球碳/金属氧化物复合材料及其制备方法和作为锂硫电池的正极材料的应用。该复合材料作为锂硫电池正极材料，对多硫化物的“穿梭效应”具有“物理吸附”和“化学结合”两种机制的协同作用，同时拥有出色的固硫和较高的电子传导率，从而有效地提高了锂硫电池的电化学性能。

一种复合的硫-根霉菌丝球碳/金属氧化物复合材料作为优异的锂硫电池正极材料，由过渡金属氧化物颗粒和硫-根霉菌丝球碳构成，所述的过渡金属氧化物颗粒嵌入在硫-根霉菌丝球碳内部。具体地，包括三维多孔结构的根霉菌丝、通过金属盐浸渍与碳热反应引入的金属氧化物材料(如氧化钴)以及熔融扩散法进入根霉碳中的硫，所述的硫覆盖在所述长有金属氧化物材料(如氧化钴)的根霉菌丝碳上以及堆积在各菌丝间的孔隙中。所述的硫-根霉菌丝球碳/金属氧化物复合电极材料中，单质硫的质量百分含量为10％～70％，碳的质量百分含量为5％～05％，过渡金属氧化物的质量百分含量为5％～20％。即硫元素质量比为10％～70％，碳元素质量比为5％～05％，过渡金属氧化物的质量比为5％～20％。

所述的根霉菌丝碳的粗细为3～5μm，呈现三维交联的网络结构。所述的氧化钴直径为10～00nm(进一步优选为20～50nm)。通过熔融扩散法渗入的硫不仅均匀地覆盖在根霉菌丝碳层上，也分布于碳热反应刻蚀的孔隙内。

一种硫-根霉菌丝球碳/金属氧化物复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)挑取固体培养基上的根霉菌丝接种至液体培养基，之后转移至恒温恒湿摇床培养，取出后得到根霉菌丝球；