[發(fā)明專利]用于鋰-硫電池的含有高石墨化的碳材料的硫-碳復合材料及其制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201580084451.0
• 申請日: 2015-11-13
• 公開（公告）號: CN108352514A
• 公開（公告）日: 2018-07-31
• 發(fā)明（設計）人: 郭玉國;張娟;殷亞俠;陳赟華;趙娜紅
• 申請（專利權(quán)）人: 羅伯特·博世有限公司;中國科學院化學研究所
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 柴麗敏

1.硫-碳復合材料，包含高石墨化的碳材料和硫，其中所述高石墨化的碳材料具有高的石墨化程度，由拉曼光譜中G帶與D帶的強度比大于1.0來表征，所述材料或者是石墨化的微孔碳基質(zhì)，或者是具有被石墨化的微孔碳層包覆的導電內(nèi)核的核-殼材料，并且其中，硫被封裝在所述高石墨化的碳材料的多孔結(jié)構(gòu)中。

2.如權(quán)利要求1所述的硫-碳復合材料，其中，所述核-殼材料的導電內(nèi)核選自碳基材料、非碳材料、以及碳基材料和非碳材料的組合或復合材料。

3.如權(quán)利要求2所述的硫-碳復合材料，其中，所述碳基材料選自無定型碳、石墨化碳、硬碳、軟碳、活性炭、碳氣凝膠、碳納米管、膨脹石墨、氧化石墨烯納米片、石墨烯納米片、碳化物衍生碳、沸石模板碳、碳分子篩，以及上述物質(zhì)的組合、復合材料、衍生物以及摻雜體系，優(yōu)選碳納米管和石墨烯納米片。

4.如權(quán)利要求2所述的硫-碳復合材料，其中，所述非碳材料選自導電聚合物、半導體陶瓷、金屬有機骨架(MOFs)、非碳分子篩，以及上述物質(zhì)的組合、復合材料和衍生物。

5.如權(quán)利要求1所述的硫-碳復合材料，其中，石墨化之前，所述微孔碳基質(zhì)選自碳球、碳納米片、碳纖維、碳納米管、碳分子篩和沸石模板碳，以及上述材料的組合、復合材料、衍生物和摻雜體系。

6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的硫-碳復合材料，其中，所述高石墨化的碳材料具有多孔結(jié)構(gòu)，孔徑為0.4nm-100nm，優(yōu)選0.4nm-50nm。

7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的硫-碳復合材料，其中，所述硫-碳復合材料中的硫含量為20wt％-90wt％，優(yōu)選50wt％-85wt％，基于硫-碳復合材料的總重量。

8.電極，其包含如權(quán)利要求1-7中任一項所述的硫-碳復合材料。

9.鋰-硫電池，其包含如權(quán)利要求1-7中任一項所述硫-碳復合材料。

10.制備如權(quán)利要求1-7中任一項所述的硫-碳復合材料的方法，其中所述高石墨化的碳材料是核-殼材料，其包括：

將導電內(nèi)核的含水懸浮液與含過渡金屬的鹽的水溶液混合，在溫度60-120℃下保持2-12h，通過向所得物加入碳源進行水熱反應，之后進行離心分離、洗滌和干燥；或者，將導電內(nèi)核的含水懸浮液與含過渡金屬的鹽的水溶液以及碳源同時混合，再進行水熱反應，接著進行離心分離、洗滌和干燥；

在溫度500-900℃下熱解所得材料1-12h；

通過酸溶液移除過渡金屬氧化物；和

負載硫。

11.制備如權(quán)利要求1-7中任一項所述的硫-碳復合材料的方法，其中，所述高石墨化的碳材料是石墨化的微孔碳基質(zhì)，其包括以下步驟：

將微孔碳基質(zhì)分散在含過渡金屬的鹽的水溶液中，在60-120℃下攪拌并加熱2-12h；

將所得材料在溫度500-900℃下熱解1-12h，使微孔碳基質(zhì)碳化和石墨化；

通過酸性溶液移除過渡金屬氧化物；和

負載硫。

12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述碳源為選自蔗糖、D-葡萄糖、果糖、聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩、多巴胺和海藻酸鈉中的一種或多種。

13.如權(quán)利要求10-12中任一項所述的方法，其中，所述含過渡金屬的鹽選自Fe、Co和Ni的氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、乙酸鹽、碳酸鹽和磷酸鹽。

14.如權(quán)利要求10-13中任一項所述的方法，其中，所述硫負載包括：通過超聲處理，將去除了過渡金屬氧化物的碳材料與溶解在非極性溶劑中的硫溶液均勻混合，然后加入極性溶劑使硫顆粒從溶液中沉淀下來，沉積在碳材料上，再進行干燥處理。