[發明專利]yolk-shell結構的二氧化錳@硫@碳球正極復合材料的制備和應用

有效

• 申請號: 201811443100.6
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN111244432B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 陳劍;邵欽君
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/505;H01M4/62
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明提供一種yolk?shell結構的二氧化錳@硫@碳球正極復合材料及其制備方法和應用，所述的二氧化錳@硫@碳球復合材料，片狀結構的二氧化錳作為核，分布在碳球為殼的腔體中，硫分布在二氧化錳核和碳殼之間，復合材料中碳的含量為10％～30％，二氧化錳的含量為10％～30％，硫的含量為40％～80％；其中，中空碳球不僅提供了充足的載硫空間，而且碳球間豐富的點對點接觸保證了電子的快速傳輸，碳球腔體中片狀的二氧化錳核層對多硫化物有較強的化學吸附轉換作用，結合碳層的物理限制作用可以有效抑制“穿梭效應”的發生，提高了電池的容量保持率、循環穩定性和倍率性能。

技術領域

本發明屬新能源技術領域，具體涉及一種yolk-shell結構的二氧化錳@硫@碳球正極復合材料的制備和應用。

背景技術

隨著化石等不可再生資源的消耗，人們加快了對新能源開發和利用，其中，二次電池作為一種重要的能量載體正發揮著越來越重要的作用。目前，鋰離子電池憑借較好的安全性和循環穩定性，成本低廉等優勢已廣泛應用于小型移動電源及動力電池等儲能領域。但是由于其較低的理論比容量(＜300mAh g^-1)已不能滿足人們對高比能電池的需求，因此，發展一種具有高比能量、長循環壽命、低成本和環境友好的新型二次電池具有非常重要的意義。其中，鋰硫電池憑借2600Wh/Kg的理論能量密度、原料豐富、環境友好等優點吸引了人們的廣泛關注和研究。

硫正極材料是鋰硫電池的關鍵組成，由于單質硫的絕緣特性，需要在正極材料中加入高導電的碳材料，以提升正極活性物質的利用率和電池的倍率性能。另外，硫在放電過程中與鋰離子反應復雜，經歷了從長鏈多硫化物(Li₂S_x,4＜x＜8)到短鏈硫化鋰的過程，其中長鏈多硫化物易溶于醚類電解液，在電池循環過程中會透過隔膜穿梭到金屬鋰負極一側被還原，導致較低的容量保持率、庫倫效率和較差的循環穩定性，因此如何緩解多硫化物的穿梭效應是鋰硫電池中尚存在的基礎科學問題。

在授權公開號CN104916828 A的中國發明專利中提到以中空碳球為硫載體制備的碳硫正極材料，通過將硫限制在碳球的空腔中以解決多硫化鋰穿梭帶來的循環性能較差的問題。但該專利中非極性的碳球與極性多硫化鋰之間的物理作用較弱，很難高效吸附住溶出的多硫化鋰，并不能有效抑制穿梭效應的發生。同時，在授權公開號CN107887605 A的中國發明專利中提出以納米硫粉末、二氧化錳粉末、碳纖維、碳納米管為漿料組成制備硫正極，雖然二氧化錳通過化學吸附轉換對溶出的多硫化鋰起到了錨定作用，電池可以在前80圈取得較好的循環穩定性，但導電性較差的二氧化錳在循環中容易與絕緣的活性物質硫失去電接觸，進而無法有效抑制多硫化鋰的溶出，使電池長循環性能較差。

發明內容

本發明的目的在于提供一種yolk-shell結構的二氧化錳@硫@碳球正極復合材料的制備和應用，通過合理的納米結構設計和構建，協同發揮碳包覆層的物理作用和二氧化錳的化學吸附轉換作用，有效地將硫和易溶的多硫化鋰限制在yolk-shell的空腔中，從而抑制硫正極中的穿梭效應，提高電池的長循環穩定性。

一種yolk-shell結構的二氧化錳@硫@碳球正極復合材料，所述yolk-shell結構的二氧化錳@硫@碳球正極復合材料，片狀結構的二氧化錳作為核，分布在碳球為殼的腔體中，硫分布在二氧化錳核和碳殼之間，復合材料中碳的含量為10％～30％，二氧化錳的含量為10％～30％，硫的含量為40％～80％；

所述yolk-shell結構的二氧化錳@硫@碳球正極復合材料，中空碳球空腔內徑在50～500nm，碳層厚度在10～50nm，碳材料中微孔為0～2nm，介孔為2～50nm，比表面積為100～1000m² g^-1，孔體積為0.1～2cm³ g^-1。