[发明专利]一种锂硫电池正极载体及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锂硫电池正极载体及其制备方法和应用，所述制备方法包括：(1)将导电炭黑、含碳表面活性剂、含氮钼源和硫源混合，进行水热反应，得到水热产物；(2)将步骤(1)所述水热产物与粘结剂和溶剂混合，得到前驱体；(3)将步骤(2)所述前驱体煅烧，得到所述锂硫电池正极载体。本发明通过将导电炭黑、含碳表面活性剂、含氮钼源和硫源混合进行水热反应，并加入粘结剂和溶剂进行煅烧，制备得到比表面积大、孔隙率高、导电性强、分散性好、固硫效果佳、结构稳定的锂硫电池正极载体，采用此材料制备得到的锂硫电池正极材料具有良好的倍率性能、较高的能量密度和较好的循环稳定性。

技术领域

本发明属于储能材料和锂硫电池正极材料制备技术领域，涉及一种锂硫电池正极载体及其制备方法和应用。

背景技术

全球能源危机和环境问题日益严重，人类需要减少对化石燃料的依赖，因此大力发展环境友好的新能源和高效储能系统迫在眉睫。一种高能量密度、低成本、无污染、使用寿命长的新型储能系统—锂离子二次电池应运而生。近年来，锂离子二次电池已被广泛应用于手机、笔记本电脑、相机等小型电子设备，但传统的锂离子二次电池尚不能满足大型的储能设备和高能量密度电动汽车的要求，这促使研究人员开发更加合理有效的电池能源系统。

锂硫电池具有价格低廉、安全性好、硫储量丰富以及环境友好等优点，其理论比容量为1675mAh/g，理论能量密度高达2600Wh/kg，是一种非常有前景的下一代高比能二次电池。但是，它还面临着很多制约其商业化发展的因素：(1)单质硫和其放电产物Li₂S的导电性差，降低了活性物质利用率及倍率性能；(2)单质硫转化为其放电产物Li₂S时体积膨胀严重；(3)放电中间产物多硫化物溶解迁移导致严重的穿梭效应。迄今为止，各种碳材料作为硫载体已被广泛研究，如多孔碳，碳纳米管/碳纳米纤维、石墨烯、碳球以及碳复合结构，用于提高锂硫电池性能。

硬模板法是一种合成多孔碳纳米颗粒的常用方法，合成得到的碳材料的尺寸通常超过100nm。Ye等人报道了一种用于锂硫电池正极的纳米颗粒NiS/多孔碳球/硫复合材料，该方法以粒径约为450nm的SiO₂纳米球为硬模板，加入尿素和硝酸镍水溶液反应12h后，再与间苯二酚甲醛树脂混合搅拌6h，过滤、洗涤、干燥后，在氮气氛围800℃下焙烧6h，获得的粉末与Na₂S水溶液混合，转移至管式炉中160℃焙烧24h，得到NiS纳米颗粒均匀修饰的多孔碳球复合材料。这种模板法策略的关键优势是通过选择不同尺寸的模板颗粒从而控制碳颗粒的尺寸。然而，这些合成上述多孔碳纳米颗粒的工艺通常复杂、产率低、成本高、耗时长等，不利于碳纳米颗粒的工业化应用；此外，大尺寸的单个多孔碳纳米颗粒作为电极材料通常导致相对较低的体积能量密度。

喷雾干燥是一种合成三维多孔碳微球的常用方法。Gi等人报道了一种核壳结构的碳微球，该方法以Fe₂O₃为硬模板，与沥青的THF溶液混合，经过400℃下3h的喷雾干燥处理，于5％H₂/Ar混合气氛400℃焙烧，再经HCl刻蚀去除模板，获得的粉末在氩气氛围900℃焙烧3h，得到三维核壳结构碳微球，将其用于锂硫电池正极上发挥出出色的电化学性能。Luo等人报道了一种三维石榴状TiN/石墨烯复合材料作为硫正极的载体，该方法结合了喷雾干燥法和TiO₂硬模板法，实现由纳米球紧密堆积组成的三维碳微球，具有较好的循环稳定性。此外，也有报道一种多孔碳球的制备方法，该方法是将锌盐和二甲基咪唑的甲醇溶液混合搅拌离心，获得的产品与聚乙烯吡咯烷酮的甲醇溶液混合，于600℃进行气凝胶喷雾干燥后，在氮气气氛下煅烧处理，得到由空心一次颗粒组装成二次颗粒多孔碳球。由多孔碳纳米颗粒组成的三维碳微球结构在提供更高的硫利用率，更高的能量密度，更稳定的电极结构和更快的电子传导网络方面有很大优势。然而，采用喷雾干燥将一次颗粒组装形成二次颗粒的方法，往往存在工艺流程复杂，耗能耗时，成本偏高，不利于规模化生产的缺点。