[发明专利]一种锂硫电池电极材料及其应用

说明书

本发明涉及一种锂硫电池电极材料及其应用，属于表面化学材料技术领域。本发明公开了一种锂硫电池电极材料，所述电极材料为双层结构，以碳硫复合物为基材，在碳硫复合物表面包覆碳化硅纳米层。本发明还公开了一种高比能锂硫电池，所述高比能锂硫电池的正极包括粘结剂、分散介质、导电剂以及电极材料。

技术领域

本发明属于表面化学材料技术领域，涉及一种锂硫电池电极材料及其应用。

背景技术

锂硫电池(Li-S)具有高的理论能量密度(2600Whg^-1)而被认为是极具潜力的新一代高能量密度锂离子电池。硫基正极理论比能量为1672mAhg^-1，超过目前正在应用的正极材料(200mAhg^-1)。且硫系材料具有成本低、无污染、储量丰富等优点，但目前仍没有大批商业化，主要是因为其本身具有绝缘性(电阻率1×1015mΩ)，且循环性能差，库伦效率低，多硫化物的穿梭效应等因素都阻碍了Li-S的实际应用。

目前可以通过构建碳硫复合材料可以增加硫的电导和减少多硫化物形成，或者通过在多孔碳基体和硫基体表面包覆碳层来提高基体的电化学性能；其他方法还包括使用高浓度的电解液，碳的中间层等。但是这些方法存在硫的载量较低，复合电极有硫穿梭，使用中间层会增加电池的重量和内阻的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种锂硫电池电极材料，在碳硫复合物表面包裹碳化硅层，以提高锂硫电池的循环性能和倍率性能。

本发明采用下列技术方案来实现：

一种锂硫电池电极材料，其特征在于，所述电极材料为双层结构，以碳硫复合物为基材，在碳硫复合物表面包覆碳化硅纳米层。

作为优选，所述电极材料通过低温原位方法在氟自由基的诱导下，将硅与石墨烯层中的碳原子成键形成碳化硅纳米层。

作为优选，所述的低温原位方法包括如下步骤：

S1、将石墨烯、硫化物依次加入到稀盐酸中进行超声反应，经清洗烘干得到载硫石墨烯；

S2、将纳米硅粉分散于氟化铵与NMP的混合溶液中进行氟化，反应完全后烘干得氟化硅粉末；

S3、将步骤S2中制得的氟化硅粉末加入到步骤S1中制得的载硫石墨烯中制成混合粉末，在水、异丙醇的混合溶液中进行乳化反应后清洗、过滤、干燥，得在碳硫复合物表面包覆碳化硅纳米层的电极材料。

本发明采用低温原位方法在碳硫复合物表面形成碳化硅层，在氟自由基的诱导情况下，石墨烯层中的碳原子与硅成键形成高导电性的碳化硅纳米层，致密的涂层可以抑制多硫的进出，从而提高锂硫的循环性能和倍率性能；并且本发明副产物为水，制备过程绿色环保，可规模化生产。

作为优选，步骤S1中所述石墨烯、硫化物的质量比为1：(12-20)。

进一步优选，所述石墨烯、硫化物的质量比为1：(15-18)。

作为优选，步骤S1中所述石墨烯和硫化物的总质量在稀盐酸溶液中的加入量为5-12g/100ml。

进一步优选，所述稀盐酸溶液的浓度为0.01-0.2mol/L。

在步骤S1中，盐酸和硫化物反应得硫单质负载于石墨烯表面石墨烯作为优选，所述硫化物包括硫代硫酸钠、硫化钠中的一种或多种。

进一步优选，所述硫化物为硫代硫酸钠。

作为优选，步骤S1中所述超声过程时间为20-40min。

作为优选，步骤S2中所述在氟化铵、NMP的混合溶液中纳米硅粉的加入量为0.01-0.3g/100ml。