[發明專利]一種高硫負載量三維多孔碳/硫復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710223437.5
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN108695491B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 耿建新;孫悅;黃勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 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: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 趙曉丹

本發明公開了一種高硫負載量三維多孔碳/硫復合材料的制備方法。包括如下步驟：1)將有機碳源、Na₂S·9H₂O和NaCl溶于去離子水，溶液通過冷凍干燥得到凝膠；2)將1)得到的凝膠研磨成粉末，在惰性氣體保護下加熱，得到黑色粉末；3)將2)得到的黑色粉末加入Fe(NO₃)₃的水溶液中，攪拌，過濾得到黑色粉末；4)將3)得到的黑色粉末用去離子水洗滌，然后真空干燥，得到高硫負載量的三維多孔碳/硫復合材料。本發明所得到的三維孔狀碳/硫復合材料，碳和硫顆粒之間通過共價鍵結合、作用力強；硫負載量高且可控；過程簡單、原料易到、成本低、重復性強，適宜大規模生產。

技術領域

本發明涉及納米材料及電化學技術領域。更具體地，涉及一種高硫負載量三維多孔碳/硫復合材料的制備方法。

背景技術

隨著儲能技術和電動汽車的迅猛發展，對鋰離子電池能量密度和功率密度的要求越來越高，硫因其具有高的比容量(1675mAh/g)和高的能量密度(2600Wh/kg)，以及其來源廣泛、價格低廉、環境友好和安全性高等優點，而成為極具發展潛力和應用前景的新型二次鋰離子電池的正極材料。盡管有諸多優勢，但是硫在鋰離子電池的應用中仍然存在著諸多問題：(1)硫單質(S8)、中間產物及其還原產物硫化鋰(Li₂S)的電導率低，導致電池的倍率性能差；(2)放電過程中產生的聚硫化合物(Li₂Sx,2x≤8)易溶于電解液，形成“穿梭效應”，造成活性物質的損失和容量衰減；同時，最終放電產物Li₂S的不溶解性和電絕緣性會導致電極鈍化，影響電池的容量保持率和循環壽命；(3)硫在嵌鋰/脫鋰過程中的體積變化會破壞電極材料的結構，從而影響電池的充放電性能。因此，提高含硫化合物電極材料的導電性和結構穩定性是這一領域研究的關鍵問題。

在已有的報道中，主要通過將單質硫吸附到具有良好導電性、大比表面積和高孔隙率的碳材料(石墨烯、碳納米管、多孔碳和碳納米纖維)中，形成碳/硫復合材料來解決上述問題。制備核殼結構，將硫限制在殼結構的內部，也可以解決硫在充放電過程中體積膨脹和活性材料流失的問題。但是，目前已有的碳/硫復合材料的制備方法(球磨法、氣相法、液相法)在很多方面仍然需要改善，例如，復合材料中硫的負載量低、聚硫化物的溶解和擴散仍然比較突出、循環穩定性差及倍率性能較低，且現有方法比較復雜，生產成本高，產品穩定性較差等。

因此，需要提供一種既能使碳和硫顆粒結合緊密、硫負載量高且含量可控的碳/硫復合材料的制備方法。

發明內容

本發明的一個目的在于提供一種高硫負載量三維多孔碳/硫復合材料的制備方法。本發明克服了現有的碳/硫復合材料制備技術的不足，開發了一種既能使碳和硫顆粒結合緊密、硫負載量高且含量可控的碳/硫復合材料的制備方法。該方法具有環境友好、成本低、工藝簡單的優點，可實現大規模生產。

本發明的一個目的在于提供一種高硫負載量三維多孔碳/硫復合材料的應用。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種高硫負載量三維多孔碳/硫復合材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將有機碳源、Na₂S·9H₂O和NaCl溶于一定量的去離子水，得到的溶液用液氮冷凍，通過冷凍干燥除去混合物中的水分，得到凝膠；

2)將1)得到的凝膠研磨成粉末，在惰性氣體保護下加熱，得到黑色粉末；通過此步驟高溫裂解將碳源轉化為碳，得到多孔碳材料的前軀體；

3)將2)得到的黑色粉末加入Fe(NO₃)₃的水溶液中，攪拌以溶解NaCl晶體和沉積硫，過濾得到黑色粉末；通過此步驟將NaCl晶體溶解得到大孔，將Na₂S氧化得到硫納米顆粒；