[發明專利]一種鋰硫電池正極材料的載體及其應用

有效

• 申請號: 201810635313.2
• 申請日: 2018-06-20
• 公開（公告）號: CN108862275B
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發明（設計）人: 姜春海;鄒智敏;劉少康
• 申請（專利權）人: 廈門理工學院
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/342;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廈門市精誠新創知識產權代理有限公司 35218
• 代理人: 劉小勤

本發明涉及一種鋰硫電池正極材料的載體及其應用，所述鋰硫電池正極材料的載體為介孔碳，所述介孔碳的孔體積大于等于2.3cm³/g，是由廢棄的聚氨酯泡沫填縫劑經加熱、活化、碳化、洗滌后獲得，所述聚氨酯泡沫填縫劑已經完成固化反應。本發明聚氨酯泡沫填縫劑作為原料，通過簡潔的工藝方法制成介孔碳材料，比表面積大于等于2200m²/g，介孔率大于90％，可以做為鋰硫電池的正極材料的載體，顯著提高硫的負載量以及鋰硫電池的電化學性能。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池領域，尤其是一種鋰硫電池正極材料的載體及其應用。

背景技術

新能源汽車和新型電子設備的發展對動力電池和移動電源設備提出更高的需求。現有的二次電池能量密度有限，已無法滿足需求。單質硫因其理論比容量高達1675mAh/g，使鋰硫電池的理論能量密度高達2600Wh/kg，是新型二次電池的重要備選，受到了格外關注。但單質硫導電性差，充放電過程中體積變化巨大，因此作為可充電的電池循環性能不佳。現有技術中將單質硫與多孔碳材料進行復合制備鋰硫電池正極材料，到目前為止，已有石墨烯、碳納米管、中空碳納米球、介孔碳球等作為鋰硫電池電極活性物質的載體，并表現出各自的優勢。

其中，介孔碳是一類新型的非硅基介孔材料，2nm<孔徑<50nm,具有巨大的比表面積(現有可高達2500m²/g)和孔體積(現有可高達2.25cm³/g)。介孔碳材料由于特殊的孔結構,不僅為單質硫提供負載場所,而且其較強的毛細吸附作用可有效抑制多硫化物的溶解，但有序介孔碳的合成過程較復雜，需要用到價格昂貴的模板劑、造孔劑，因此其大規模應用受到限制。

另一方面，硫與碳結合制成電池材料后，經過若干次充放電過程，會出現放電比容量的大幅下降。硫電極的充電和放電反應較復雜，目前對硫電極在充電和放電反應中產生的中間產物還沒有明確的認識，因此無法準確找到鋰硫電池放電比容量的大幅下降的根本原因。目前一般認為是充放電過程中反應物質體積變化大引起內部結構崩塌造成。

聚氨酯泡沫填縫劑是一種常用的建筑修補材料，施工時通過配套施膠槍或手動噴管將氣霧狀膠體噴射至待施工部位，短期完成成型、發泡、粘結和密封過程，聚氨酯泡沫填縫劑固化形成泡沫彈性體具有粘結、防水、耐熱脹冷縮、隔熱、隔音甚至阻燃等優良性能，廣泛用于建筑門窗邊縫、構件伸縮縫及孔洞處的填充密封。隨著工程項目的大量推進，聚氨酯泡沫填縫劑所形成的泡沫彈性體帶來了極大的環境污染，其在自然條件下不能降解，由于本身體積較大，加上每年新增廢棄聚氨酯泡沫填縫劑約500多萬噸，如何開拓該廢料的資源再利用方式成為亟待解決的問題。

通常，人們將廢棄的聚氨酯泡沫填縫劑收集后進行拆解，包括人工和機械兩種方式，主要是去除金屬碎屑、污染物等，勞動強度很大，拆解會進行破碎、分選、再加工等，回收有價值的塑料顆粒后作為低級塑料的生產原料。通常這種方式的回收，前期投資較大，分選技術穩定性差，難以推廣，且目標產品價值較低，市場容量有限。

發明內容

本發明所要解決的問題是克服現有技術存在的不足，提供一種鋰硫電池正極材料的載體及其應用。

本發明利用廢棄的聚氨酯泡沫填縫劑經加熱、活化、碳化、洗滌后獲得介孔碳，運用于鋰硫電池正極材料，利用已經完成固化反應的聚氨酯泡沫填縫劑具有特定孔隙結構，其原材料廉價易得，通過簡潔的工藝制備介孔碳材料，無疑對促進鋰硫電池正極材料的發展具有重要意義。

如何獲得介孔級別的碳材結構是本發明要解決的關鍵問題之一。由于硫原子體積較大，在鋰硫電池正極材料的復合過程中，硫元素在碳材料的微孔之內遷移困難，容易造成空間阻礙。為了提高載硫量，其載體的孔徑需要存在較高比例的介孔。通常碳源經過高溫碳化，所形成的多孔材料具有微孔結構(孔徑小于2nm)，不能作為硫的載體，這也就是目前普通碳源需要添加模板劑、造孔劑才能獲得適用于鋰硫電池的原因。