[發明專利]一種有機聚合物硫/納米碳基復合材料及其在鋰硫電池中的應用

有效

• 申請號: 201810010229.1
• 申請日: 2018-01-05
• 公開（公告）號: CN108258213B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 李峰;胡廣劍;孫振華;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/60;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 于曉波

本發明公開了一種有機聚合物硫/納米碳基復合材料及其在鋰硫電池中的應用，屬于電池材料技術領域。本發明通過有機物與多硫化鈉的界面聚合作用制備的有機聚合硫活性材料，再將將有機聚合物硫與納米碳基材料復合，并將其用于鋰硫電池正極。本發明利用有機聚合物中的碳?硫鍵束縛多硫離子的穿梭效應，通過與具有優異導電性的納米碳的復合提高材料的導電性。將該材料用于鋰硫電池，得到的鋰硫電池具有優異的循環穩定性與倍率性能特點。本發明操作簡便、易于結構調控，為有機聚合物硫在鋰硫電池方面的應用提供了廣闊的前景。

技術領域:

本發明涉及電池材料技術領域，具體涉及一種有機聚合物硫/納米碳基復合材料及其在鋰硫電池中的應用。

背景技術:

隨著便攜式電子設備、空間技術、電網和電動汽車等領域的快速發展，人們對電池的要求變得越來越高，其中高容量、長循環壽命、低成本及環境友好的新型鋰電池開發成為一個熱門的研究領域。新電化學儲能體系中，以金屬鋰為負極、單質硫為正極的鋰硫電池，其理論比能量可達到2600Wh/kg，遠高于現階段所使用的鋰離子電池。此外，單質硫廉價、環境友好的特性，又使該體系極具商業價值。但是鋰硫電池在實際應用之前仍有許多問題有待解決，如硫及其最終放電產物硫化鋰的低電導率、電池充放電過程中產生易溶解于有機電解液的長鏈多硫化物發生的穿梭效應都顯著影響正極中活性硫的利用率及電池性能，致使電池容量快速衰減。

針對上述問題，現有的主要解決方法是采用高導電性的碳材料與硫進行復合，并盡可能使硫進入碳材料的孔中，尤其是其中微孔，來限制多硫化物的溶解和穿梭。但是通過這類物理方法，雖然可以在充放電最初階段獲得好電化學性能，但隨著充放電反復進行，束縛在孔中的硫生產多硫并會緩慢溶解，而出現迅速的容量衰減和庫倫效率降低。因此，仍然需要發展正極材料來提高鋰硫電池的性能。

發明內容:

為了克服現有技術存在的不足之處，本發明的目的在于提供一種有機聚合物硫/納米碳基復合材料及其在鋰硫電池中的應用，該材料利用納米碳基材料的高導電性提高材料的導電性，同時利用有機物中形成的碳-硫鍵進行化學方式固定硫，通過調控有機聚合物中的硫鏈長度來限制長鏈多硫化物的產生，從而實現良好的電化學性能。

本發明的技術方案是：

一種有機聚合物硫/納米碳基復合材料，其特征在于：該復合材料是由有機聚合物硫與納米碳基材料組成，有機聚合物硫分布在納米碳基材料表面；其中：所述有機聚合物硫在復合材料中的含量為40～70wt％。所述納米碳基材料為單壁碳納米管、多壁碳納米管、石墨烯或氧化石墨烯。

所述有機聚合物硫的制備過程為：將升華硫與硫化鈉在溶劑(水或其他溶劑)中反應，通過調整升華硫與硫化鈉的化學計量比得到包括不同種類多硫化鈉的多硫化鈉溶液；在多硫化鈉溶液中加入表面活性劑攪拌至澄清，再加入有機物三氯丙烷，通過界面聚合作用合成有機聚合物硫，所述有機聚合物硫中的硫含量為50～90wt％。

所述多硫化鈉為三硫化鈉、四硫化鈉和五硫化鈉中的一種或幾種。用于制備有機聚合物硫的有機物原料為三氯丙烷，制備過程中通過控制原料中的三硫化鈉、四硫化鈉和五硫化鈉的含量來調控有機聚合物硫中的硫含量。

用于制備有機聚合物硫的表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基硫酸鈉或聚乙二醇辛基苯基醚。

所述有機聚合物硫/納米碳復合材料的制備具體包括如下步驟：

(1)在惰性氣體保護下，將升華硫與硫化鈉在溶劑(水或其他溶劑)中反應，通過調整升華硫與硫化鈉的化學計量比得到不同種類的多硫化鈉溶液；所述多硫化鈉溶液的濃度為0.1～10mol/L。