[發明專利]硫-碳復合材料、其在鋰-硫電池中的應用以及制備所述復合材料的方法

在審

• 申請號: 201280077508.0
• 申請日: 2012-12-05
• 公開（公告）號: CN104904044A
• 公開（公告）日: 2015-09-09
• 發明（設計）人: 郭玉國;葉歡;辛森;趙娜紅;周龍捷
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所;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

技術領域

本發明涉及硫-碳復合材料，其在鋰-硫電池中的應用以及制備所述復合材料的方法。

發明背景

隨著移動電子設備在人們日常生活中越來越普及，它們的電源不可避免地成為一個重要的問題。目前，雖然鋰二次電池得到廣泛應用，然而應滿足針對其電氣性能和機械性能的高需求。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穩定性的小型輕量化二次電池。同時，在新穎電池的開發中，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，已應用多種優化的陰極技術和鋰金屬技術以改善其電化學性能。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）應獲得適當的硫顆粒大小，以確保硫的高利用率以及隨后在循環時的高可逆容量；（2）應小心地抑制聚硫化物放電產品溶于電解液中，以確保長循環壽命；（3）所述陰極材料應具有高離子電導率和電子電導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。

發明內容

鑒于以上情況，本發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，其成功地解決現有技術中的前述問題。此外，本發明的另一目的在于提供用于實現具有那些所期望的的性質的所述含硫陰極材料的方法。

這些目的通過硫-碳復合材料得以實現，所述復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。

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

根據本發明的另一方面，還提供用于制備本發明提供的所述硫-碳復合材料的方法，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。

在根據本發明的該硫-碳(S-C)復合材料中，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，具有連續導電網絡的所述中孔結構有利于有效的鋰離子運輸。這樣，具有由如本發明提供的所述S-C復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：高比容量；高循環穩定性；低自放電；優良的機械穩定性。而且，所述S-C復合材料可經濟地生產并具有高可再生品質，這促進具有包含在其陰極材料中的硫的鋰二次電池的廣泛應用。

附圖說明

通過如所附附圖中所舉例說明的優選實施方式的以下更詳細的說明，本發明的前述和其它目的、特征以及優點將是顯而易見的。在所述附圖中：

圖1是用于根據本發明實施例A的所述硫-碳復合材料的示例性制備方法的流程圖。

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

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

圖4是顯示根據本發明實施例A的所述硫-碳復合材料的微觀結構的示意圖。

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

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

圖7是顯示根據本發明實施例A的具有50?wt%的硫裝填量的硫-碳復合材料在0.1?C的放電-充電倍率的循環性能的圖。

圖8是顯示根據本發明實施例A的具有40?wt%的硫裝填量的硫-碳復合材料在1?C的放電-充電倍率的長期循環性能的圖。

圖9是顯示根據本發明實施例A的具有40?wt%的硫裝填量的硫-碳復合材料的倍率性能的圖。

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