[發明專利]硫碳復合物及其制備方法、含有該硫碳復合物的電極材料和鋰硫電池

在審

• 申請號: 201610104239.2
• 申請日: 2016-02-25
• 公開（公告）號: CN105552345A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 崔彥輝;武俊偉;常嵩;鄭新宇;張新河;李中延;屈德揚
• 申請（專利權）人: 東莞市邁科科技有限公司;哈爾濱工業大學深圳研究生院;東莞市邁科新能源有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 張艷美;郝傳鑫

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種鋰硫電池用的硫碳復合物 及其制備方法、采用該硫碳復合物制備的電極材料和鋰硫電池。

背景技術

鋰硫電池是鋰電池的一種，其為以金屬鋰為負極、硫元素為正極的二次電 池；鋰硫電池放電時，負極反應為鋰失去電子變為鋰離子，正極反應為硫與鋰 離子及電子反應生成硫化物，正極和負極反應的電勢差即為鋰硫電池所提供的 放電電壓。鋰硫電池的比能量理論上可達到2600Wh/kg，遠大于現階段所使用 的任何商業化二次電池；除了具有能量密度高的優點，由于其正極材料所采用 的單質硫具有對環境友好、且來源豐富和價格低廉等優點，鋰硫電池還具有環 境污染小、安全性能好和成本低廉等優點；因此，在新能源領域中具有廣闊的 應用前景：一方面可作為動力電池可廣泛地應用于插電式混合動力車、電動汽 車、空間飛行器以及水下潛器等；另一方面也可以作為儲能電池可應用于通訊 基站的備用電源、風能和太陽能儲能、遠離市電區域的邊遠地區供電電源等。

但是，目前鋰硫電池尚存在一些阻礙其實際應用的問題，具體存在以下問 題：1.單質硫的電子導電性和離子導電性差，硫材料在室溫下的電導率極低 (5.0×10^-30S·cm^-1)，反應的最終產物Li₂S₂和Li₂S也是電子絕緣體，不利于電池的 高倍率性能；2.鋰硫電池的中間放電產物鋰多硫化物會溶解到有機電解液中，增 加電解液的黏度，降低離子導電性；且鋰多硫化物能在正負極之間遷移，導致 活性物質損失和電能的浪費；而溶解的鋰多硫化物會跨越隔膜擴散到負極，與 負極反應，破壞負極的固體電解質界面膜(SEI膜)；3.鋰硫電池的最終放電產物 Li₂S_n(n＝1～2)電子絕緣且不溶于有機電解液，將沉積在導電骨架的表面；部分硫 化鋰脫離導電骨架，無法通過可逆的充電過程反應變成硫或者是高階的多硫化 物，造成了容量的極大衰減；4.硫和硫化鋰的密度分別為2.07g·cm^-3和1.66g·cm^-3， 在充放電過程中有高達79％的體積膨脹/收縮，這種膨脹會導致正極形貌和結構 的改變，進而導致硫與導電骨架的脫離，從而造成容量的衰減；而這種體積效 應在紐扣電池下不顯著，但在大型電池中體積效應會放大，會產生顯著的容量 衰減，甚至有可能導致電池的損壞，巨大的體積變化會破壞電極結構。

針對以上問題，目前主要的解決方法是從電解液和正極材料兩個方面入手 來解決；電解液方面，主要是改用醚類電解液來替代現有的電解液，或在現有 的電解液中加入一些添加劑，如此可以非常有效的緩解鋰多硫化合物的溶解問 題；正極材料方面，主要是把硫和碳材料復合，或者把硫和有機物復合，可以 解決硫的不導電和體積膨脹問題。然而，現有技術中合成的硫-碳復合物總是無 法避免多硫化物溶解進入電解質的問題，導致采用該硫碳復合物制作的鋰硫電 池循環穩定性不好，不能滿足實際的需要。

有鑒于此，有必要提供一種新的硫碳復合物以制備出具有良好的電化學性 能的高能量密度的鋰硫電池，以解決上述問題。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種用于鋰硫電池 的硫碳復合物，以解決上述問題；

本發明的目的之二在于提供上述硫碳復合物的制備方法；

本發明的目的之三在于提供鋰硫電池的電極材料，其包括上述硫碳復合物；

本發明的目的之四在于提供鋰硫電池，其包括上述硫碳復合物。

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種用于鋰硫電池的硫碳復合物，包括碳納米顆粒、分散于所述碳納米顆 粒中的二氧化硅模板劑和加載于所述碳納米顆粒中的硫；其中所述碳納米顆粒 為多孔結構，所述二氧化硅模板劑分散于所述碳納米顆粒中，90wt％以上的所述 硫填充于所述碳納米顆粒的孔中，其余分散于所述碳納米顆粒的表面。

本發明硫碳復合物中二氧化硅模板劑分散于碳納米顆粒中，以減小碳納米 顆粒的孔徑，這樣在使用時，具有小孔徑的碳納米顆粒對電化學反應中間產物 多硫化鋰具有更強的捕獲能力，同時二氧化硅模板劑的殘留還可以有效阻止多 硫化鋰的“飛梭效應”。