[發(fā)明專利]一種毛線球狀碳/硫復合微球材料的制備方法及鋰硫電池

有效

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• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN108054377B
• 公開（公告）日: 2020-08-04
• 發(fā)明（設計）人: 陳晗;文小雨;周偉;向楷雄;朱裔榮;肖利;陳憲宏
• 申請（專利權）人: 湖南工業(yè)大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 任重;馮振寧

本發(fā)明公開一種通過靜電紡絲法制備毛線球狀碳微球，并將這種碳微球載硫制備出碳/硫復合微球用于鋰/硫離子電池正極材料。本發(fā)明中碳/硫復合微球制備方法如下：將選取纖維狀碳材料或纖維狀碳前驅體與粘結劑，剪切式攪拌均勻分散在溶劑中，通過靜電紡絲處理成毛線球狀碳前驅體微球，然后進行炭化處理得毛線球狀碳微球。將得到的毛線球狀碳微球與單質硫在管式爐中加熱制得碳/硫復合微球材料，并用作鋰硫電池的正極材料。本發(fā)明的碳及其復合材料制成的鋰/硫離子電池正極材料比常規(guī)碳材料具有更優(yōu)良的形貌及性能，用作鋰硫電池正極材料時，具有高的首次放電比容量，容量保持率佳，而且制備方法簡單易行、成本低、綠色環(huán)保，具有良好的應用前景。

技術領域

本發(fā)明屬于電極材料技術領域，更具體的，涉及一種毛線球狀碳/硫復合微球材料的制備方法及鋰硫電池。

背景技術

隨著世界能源的消耗需求不斷增長，可開發(fā)利用的石油資源日益枯竭，而環(huán)境污染卻日益嚴重，因此利用電化學儲能技術將清潔的太陽能，風能儲存再利用無疑是人類在21 世紀解決這一問題的最有效途徑；另外影響人們生活的移動電子設備、電動汽車等也都對未來電化學儲能技術提出了更高的要求。這些都需要安全、低廉、高能量密度和長壽命的二次電池來實現(xiàn)。在諸多儲能方式中，鋰離子電池以質量輕、容量高和無記憶效應等優(yōu)點，在當今儲能工業(yè)占據(jù)核心地位。

鋰離子電池使用石墨材料作為負極，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、錳酸鋰等含鋰金屬氧化物作為正極，利用鋰離子在正負極之間的“搖椅效應”來貢獻容量，目前現(xiàn)有的二次鋰離子電池自身理論比容量將近300mAh/g，即便如此也難以達到人們所需的二次電池的要求，同時燃料電池在短時間內還較難實用化，因而具有2600Wh/kg理論比能量的鋰硫電池成為目前的研究發(fā)展對象。

鋰硫電池以單質硫作為正極，金屬鋰作為負極，其中單質硫的理論比容量就達到1680mAh/g，且單質硫價格低廉、資源豐富，對環(huán)境友好，在一定程度上可以替代鋰離子電池，但是鋰硫電池的實際比容量遠遠小于理論比容量，因此限制了它大規(guī)模的運用。造成這個現(xiàn)象的主要原因是鋰硫電池在充放電循環(huán)的過程中，聚硫化物易溶于電解液中，在循環(huán)終止時，并沒有全部轉化成最終產(chǎn)物，造成了有效物質的損失，同時由于聚硫化物的溶解造成的“飛梭效應”，使得鋰硫電池的容量大幅度降低。因此發(fā)明出能改善鋰硫電池“飛梭效應”的正極材料十分迫切。

由于單質硫作為正極材料的一系列不足，科研人員利用碳材料與單質硫復合作為正極活性物質的研究最為普遍。碳材料具有良好的導電性，其結構也能對多硫化物的遷移擴散起到抑制作用。近幾年常用來作為科研對象的碳材料有：乙炔黑、石墨烯、碳納米管、空心碳，多孔碳等，這些材料都在不同程度上改善和提高了鋰硫電池的放電容量和循環(huán)效率。其中，空心碳球、碳管具有更大內部空間，可以容納多單質硫和電解液，將充放電反應抑制在內腔中，使得聚硫化物難以脫離碳殼，此外，由于單質硫被包覆在碳球中，材料顆粒之間直接接觸，因此不需要額外地添加導電劑，從而增加了正極活性物質的含量。

發(fā)明內容

針對上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種毛線球狀碳/硫復合微球材料的制備方法。

本發(fā)明另一目的在于提供一種毛線球狀碳/硫復合微球材料。

本發(fā)明第三目的在于提供一種以毛線球狀碳/硫復合微球材料為正極材料的鋰硫電池。

本發(fā)明的目的通過以下技術方案予以實現(xiàn)：

一種毛線球狀碳/硫復合微球材料的制備方法，包括如下步驟：

S1.將纖維狀碳材料或纖維狀碳材料前驅體與粘結劑按2~4：1混合，先進行剪切式攪拌使其均勻分散，然后加入溶劑中，進行超聲分散，得均勻混合溶液；

S2.采用靜電紡絲技術將步驟S1得到的混合溶液制備得到毛線球狀碳前驅體微球，然后在惰性氣體氛圍下進行炭化處理，得到毛線球狀碳微球；