[發明專利]一種可用于鋰硫電池的大孔碳/氧化鋅/硫復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201711462059.2
• 申請日: 2017-12-28
• 公開（公告）號: CN108321369B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 張永光;王新;釗妍
• 申請（專利權）人: 肇慶市華師大光電產業研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 陳衛

本發明提供了一種可用于鋰硫電池的大孔碳/氧化鋅/硫復合材料及其制備方法與應用。所述的制備方法，包括以下步驟：S1.制備含有大孔碳材料和Zn(COOH)₂的混合溶液，在40~80℃下，加入強堿溶液，攪拌，溫度維持40~80℃，待反應結束后離心并干燥，得到大孔碳/氧化鋅材料；以CS₂為溶劑，將大孔碳/氧化鋅材料和單質S進行研磨，之后加入反應釜進行加熱，反應時間為10~24h，反應溫度為100~300℃。本發明所述大孔碳/氧化鋅/硫復合材料通過利用大孔碳和氧化鋅克服了硫作為電池正極材料的導電性能不佳和具有穿梭效應的缺點，將所述大孔碳/氧化鋅/硫復合材料應用于鋰硫電池的正極中，能夠有效提高鋰硫電池倍率性能以及循環性能。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池正極材料的技術領域，更具體地，涉及一種可用于鋰硫電池的大孔碳/氧化鋅/硫復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

現如今社會與經濟的發展十分迅速，使得人們對于能源的需求也與日俱增，人類生活越來越依賴于化石燃料，這導致全球能源危機和溫室效應等嚴重的環境問題和人類生存問題。因此，大力開發可再生能源成為必然趨勢，可再生能源包括風能、潮汐能、核能、太陽能等，這些能源對環境無任何污染且取之不盡用之不竭，但是其能流密度低且強度極其容易受到天氣、季節等各種因素的影響而不能維持常量，無法滿足人們日常生活中對于能量的需要。由此可見，開發利用儲能裝置來存儲這些清潔能源對人們日常生活的需求和經濟社會的發展都是非常必要的。因此，鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池和鋰離子電池被大量開發應用于移動電子設備和儲電站。但是由于鉛酸電池、鎘鎳電池和鎳氫電池對環境有害，因此在過去的二十年里，鋰離子電池發展迅速，應用十分廣泛，特別是在小型的移動電子設備方面，鋰離子電池完全占據了市場。與鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池的比能量高出三倍以上，循環壽命超出1.5倍以上，這些因素決定了鋰電池便攜、低成本的優勢。其能量密度高達300mAh g^-1，而它的應用水平普遍達到了正極比容量為250mAh g^-1，接近鋰離子電池電極材料理論比容量極限。

隨著新能源科學技術的不斷發展和人們對能源需求的增長，鋰離子電池電極材料比容量極限已無法滿足人們日常生活的需求，具有更高比容量、更低成本的電化學儲能材料亟待開發。單質硫是地球中儲量豐富的元素之一，其具有價格低廉、環境友好等特點。采用硫作為正極材料，其材料理論比容量和電池理論比能量分別達到1672mAh g^-1和2600Whkg^-1，是目前鋰離子電池能量密度的7～8倍。并且硫是一種對環境友好的元素，對環境基本沒有污染，是一種非常有前景的電化學儲能材料，這使得鋰硫電池逐漸成為新一代高能量密度清潔儲能裝置的研究熱點。

盡管鋰硫電池能量密度高、成本低，但是相對傳統的嵌入脫出的電極材料，轉化反應電極材料在充放電過程中存在嚴重的體積膨脹問題，導致材料粉化，脫離極片，最終造成嚴重容量衰減，硫在充放電過程中的體積膨脹大概在80％左右。另一方面，硫和硫化鋰是電子絕緣的材料，導電性很差，用它們作為電極材料的時候必須要和導電添加劑共同作用才能發揮出材料的電化學性能。此外，鋰硫電池還存在穿梭效應，會導致鋰硫電池嚴重的自放電。總的來說，高容量、高能量的鋰硫電池還存在上述問題，有待進一步研究解決。

發明內容

本發明的目的在于提供一種可用于鋰硫電池、特別是鋰硫電池正極材料的大孔碳/氧化鋅/硫復合材料的制備方法，所述大孔碳/氧化鋅/硫復合材料可有效解決鋰硫電池中正極材料活性硫的散失和穿梭效應的問題，從而在整體上提高鋰硫電池的電化學性能和循環穩定性。

本發明的另一個目的是提供所述大孔碳/氧化鋅/硫復合材料。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種可用于鋰硫電池的大孔碳/氧化鋅/硫復合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1.制備大孔碳/氧化鋅材料