[發明專利]一種鋰硫電池正極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010181391.3
• 申請日: 2010-05-25
• 公開（公告）號: CN101986443A
• 公開（公告）日: 2011-03-16
• 發明（設計）人: 耿世達
• 申請（專利權）人: 耿世達
• 主分類號: H01M4/133
• 分類號: H01M4/133;H01M4/36;H01M4/1393
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種鋰硫電池正極材料及其制備方法，特別是涉及一種均勻填充有硫納米粒子的納米介孔碳材料及其制備方法。

背景技術

隨著煤炭、石油等主要天然資源的逐漸耗竭，能源危機已經成為人類未來必須解決的重大課題之一。目前綠色無污染的新型高能化學電源已成為世界各國競相開發的熱點。

鋰硫電池具有十分廣闊的應用前景，化學家們已經為此進行了近20年的研究。硫和鋰被認為是最為理想的一種電池材料，這兩種化學物質的結合不但能提供高密度的能量，在穩定性、安全性和壽命上也更為出色，而且與能用在鋰電池中的其他材料相比，硫的成本相對較低，鋰硫電池將成為安全、長壽以及低碳排放的能源。

單質硫的理論比容量為1675mAh/g，與鋰組裝成電池，理論比能量可達2600Wh/kg，符合電動汽車(EV)對電池的要求，也符合便攜式電子產品對電池“輕、薄、小”的要求，將在鋰二次電池中得到廣泛應用。由于硫具有來源廣泛(成本低)、理論比容量高、無毒(無污染)、環境友好等特點，鋰硫電池成為人們研究的重點。

但電池正極的制造一直是困擾人們的一大難題，這部分在充放電中負責儲存和釋放電子，在這種可逆的電化學反應中為了實現較高的電流，必須使其中的硫與類似碳這樣的導體緊密接觸，而此前并無十分有效的方式。

發明內容

本發明正是基于上述背景之下，提供了一種鋰硫電池正極材料。所述正極材料中，納米硫粒子均勻填充于納米介孔碳材料的空心納米碳管中，使得硫與碳緊密接觸。所述的納米介孔碳材料的空心納米碳管，每根碳管厚度為5-200納米，孔徑為2-100納米。所述的硫納米粒子粒度為2-100納米。

相應地，本發明提供了一種硫與碳緊密結合的鋰硫電池正極材料的制備方法，其步驟為：

(1)納米介孔碳材料的制備：

按照重量比1∶0.01-0.1∶1-20∶0.1-2稱取蔗糖，濃硫酸和水和模板劑二氧化硅，混合后均勻攪拌1～10小時；將混合物放入烘箱中，烘箱升溫速率為每小時升溫20℃，溫度升至100～200℃，保持1～10小時；溶劑蒸發后，將混合物放入有惰性氣體保護的高溫反應釜中焙燒，高溫反應釜升溫速率為每小時升溫100℃，溫度升至500～1000℃，保持2～10小時；將焙燒后的混合物放入氫氧化鈉溶液或者氫氟酸中攪拌1～20小時，使二氧化硅模板溶解，然后過濾、洗滌、干燥，得到內部為納米空心碳管的納米介孔碳材料。

(2)硫納米粒子填充在納米空心碳管中：

將納米介孔碳材料與硫納米粒子放入納米高溫高壓蒸氣混合機中，蒸氣溫度范圍為100-600℃，以高溫蒸氣為載體使兩者混合，納米高溫高壓蒸氣混合機升溫速率為每小時升溫40℃，升溫至120～500℃，溫度穩定后保持2-20小時，使熔化的硫均勻填充于納米介孔碳材料的空心納米碳管中。

本發明制備的鋰硫電池正極材料容量大于1800mAh/g，500次循環容量保持80％以上。

具體實施方式

實施例一：

稱取100g蔗糖，1g濃硫酸和100g水和10g二氧化硅，混合后均勻攪拌5小時；將混合物放入烘箱中，烘箱升溫速率為每小時升溫20℃，溫度升至100℃，保持5小時；溶劑蒸發后，將混合物放入有惰性氣體保護的高溫反應釜中焙燒，高溫反應釜升溫速率為每小時升溫100℃，溫度升至1000℃，保持10小時；將焙燒后的混合物放入氫氧化鈉溶液或者氫氟酸中攪拌10小時，使二氧化硅模板溶解，然后過濾、洗滌、干燥，得到內部為納米空心碳管的納米介孔碳材料。

將納米介孔碳材料與硫納米粒子放入納米高溫高壓蒸氣混合機中，蒸氣溫度范圍為100-600℃，以高溫蒸氣為載體使兩者混合，納米高溫高壓蒸氣混合機升溫速率為每小時升溫40℃，升溫至200℃，溫度穩定后保持5小時，使熔化的硫均勻填充于納米介孔碳材料的空心納米碳管中。

制備的鋰硫電池正極材料容量為1850mAh/g，500次循環容量保持為81％。

實施例二：

稱取100g蔗糖，10g濃硫酸、100g水和20g二氧化硅，混合后均勻攪拌5小時；將混合物放入烘箱中，烘箱升溫速率為每小時升溫20℃，溫度升至200℃，保持5小時；溶劑蒸發后，將混合物放入有惰性氣體保護的高溫反應釜中焙燒，高溫反應釜升溫速率為每小時升溫100℃，溫度升至1000℃，保持5小時；將焙燒后的混合物放入氫氧化鈉溶液或者氫氟酸中攪拌10小時，使二氧化硅模板溶解，然后過濾、洗滌、干燥，得到內部為納米空心碳管的納米介孔碳材料。