[發(fā)明專利]硫-碳復(fù)合材料、其在鋰-硫電池中的應(yīng)用以及制備所述復(fù)合材料的方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201280077508.0
• 申請日: 2012-12-05
• 公開（公告）號: CN104904044A
• 公開（公告）日: 2015-09-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭玉國;葉歡;辛森;趙娜紅;周龍捷
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院化學(xué)研究所;羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 杜娟娟;張懿

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及硫-碳復(fù)合材料，其在鋰-硫電池中的應(yīng)用以及制備所述復(fù)合材料的方法。

發(fā)明背景

隨著移動電子設(shè)備在人們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓狡占埃鼈兊碾娫床豢杀苊獾爻蔀橐粋€重要的問題。目前，雖然鋰二次電池得到廣泛應(yīng)用，然而應(yīng)滿足針對其電氣性能和機(jī)械性能的高需求。例如，出于即獲得便攜性又獲得長壽命的目的，備受歡迎的是具有高容量和高循環(huán)穩(wěn)定性的小型輕量化二次電池。同時，在新穎電池的開發(fā)中，人們一直對能以廉價方式制造那些電池而感興趣。

如今，硫用作為鋰二次電池中的陰極活性材料，引起人們的關(guān)注。由于鋰的低原子量和硫的中等原子量，Li-S電池相對更輕；由于Li-S電池的更高能量密度和硫的低成本，所以其在隨后的鋰離子電池中很有前景。

為了獲得高能量密度Li-S電池，已應(yīng)用多種優(yōu)化的陰極技術(shù)和鋰金屬技術(shù)以改善其電化學(xué)性能。在可將硫陰極材料投入市場用于可充電鋰電池之前，需要解決一些問題：（1）應(yīng)獲得適當(dāng)?shù)牧蝾w粒大小，以確保硫的高利用率以及隨后在循環(huán)時的高可逆容量；（2）應(yīng)小心地抑制聚硫化物放電產(chǎn)品溶于電解液中，以確保長循環(huán)壽命；（3）所述陰極材料應(yīng)具有高離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率以確保更好的倍率性能。

迄今為止，由于各種未解決的問題，市面上仍未見有真正成功的具有包含在其陰極材料中的硫的鋰二次電池。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上情況，本發(fā)明的目的之一在于提供電活性材料，其適用于制造用于鋰二次電池的陰極材料，其成功地解決現(xiàn)有技術(shù)中的前述問題。此外，本發(fā)明的另一目的在于提供用于實(shí)現(xiàn)具有那些所期望的的性質(zhì)的所述含硫陰極材料的方法。

這些目的通過硫-碳復(fù)合材料得以實(shí)現(xiàn)，所述復(fù)合材料包括包含微孔和中孔兩者的多孔碳基底和硫，其中所述硫僅被包含在所述碳基底的微孔中。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供包含陽極、陰極和電解液介質(zhì)的鋰-硫電池，其中所述陰極包含本發(fā)明提供的所述硫-碳復(fù)合材料。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供用于制備本發(fā)明提供的所述硫-碳復(fù)合材料的方法，所述方法包括：a）制備前體微孔碳材料；b）通過對所述前體微孔碳材料的活化來產(chǎn)生包含微孔和中孔兩者的所述多孔碳基底；以及c）將硫裝填到所述多孔碳基底內(nèi)。

在根據(jù)本發(fā)明的該硫-碳(S-C)復(fù)合材料中，所述微孔可提供有效的硫分布并儲存甚至在分子水平上的硫。在另一方面，具有連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的所述中孔結(jié)構(gòu)有利于有效的鋰離子運(yùn)輸。這樣，具有由如本發(fā)明提供的所述S-C復(fù)合材料制成的陰極的鋰-硫電池可具有至少一種、和尤其多于一種的以下性質(zhì)：高比容量；高循環(huán)穩(wěn)定性；低自放電；優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性。而且，所述S-C復(fù)合材料可經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)并具有高可再生品質(zhì)，這促進(jìn)具有包含在其陰極材料中的硫的鋰二次電池的廣泛應(yīng)用。

附圖說明

通過如所附附圖中所舉例說明的優(yōu)選實(shí)施方式的以下更詳細(xì)的說明，本發(fā)明的前述和其它目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)將是顯而易見的。在所述附圖中：

圖1是用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的所述硫-碳復(fù)合材料的示例性制備方法的流程圖。

圖2是顯示用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的所述硫-碳復(fù)合材料的所述碳基底的掃描電鏡(SEM)圖。

圖3是顯示用于根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的所述硫-碳復(fù)合材料的所述碳基底的透射電鏡(TEM)圖。

圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的所述硫-碳復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的活化的微孔碳基底和由其產(chǎn)生的S-C復(fù)合材料的氮吸附/脫附等溫線的圖（a）和所述相應(yīng)的孔大小分布的圖（b）。

圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的硫-碳復(fù)合材料在0.1?C的放電-充電倍率的第一個三次循環(huán)的放電-充電曲線的圖，所述硫-碳復(fù)合材料具有50?wt%的硫裝填量。

圖7是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的具有50?wt%的硫裝填量的硫-碳復(fù)合材料在0.1?C的放電-充電倍率的循環(huán)性能的圖。

圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的具有40?wt%的硫裝填量的硫-碳復(fù)合材料在1?C的放電-充電倍率的長期循環(huán)性能的圖。

圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例A的具有40?wt%的硫裝填量的硫-碳復(fù)合材料的倍率性能的圖。

圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例B的硫-碳復(fù)合材料在0.1?C的放電-充電倍率的第一個三次循環(huán)的放電-充電曲線的圖，所述硫-碳復(fù)合材料具有33.3wt%的硫裝填量。