[發明專利]用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202010196322.3
• 申請日: 2020-03-19
• 公開（公告）號: CN111370667A
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 趙天壽;趙琛;巫茂春
• 申請（專利權）人: 香港科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/13;H01M4/139;H01M4/04;H01M10/052
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

1.一種用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料，其特征在于，三維有序多孔載硫材料中包含多級孔結構，即該材料中包含大孔、介孔、小孔三種孔結構；其中，大孔均勻有序分布于富含介孔和小孔的導電碳框架中；由極性吸附位點硫化鋅以及單原子活性位點鈷氮碳組成的雙極吸附位點廣泛均勻分布于導電碳框架中；

所述載硫材料中，大孔孔徑為大于50nm至180nm之間，且有序分布于導電碳框架中，導電碳框架中的介孔孔徑介于2～50nm之間，小孔孔徑介于0.1至小于2nm之間。

2.按照權利要求1所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：

步驟一：將苯乙烯、水和聚乙烯吡咯烷酮配成反應液，在氮氣保護氣氛下升溫至70～80℃后加入過硫酸鉀，反應20～30小時之后，離心分離得到聚苯乙烯納米顆粒；

步驟二：將所得到的聚苯乙烯納米顆粒超聲分散于無水乙醇中，置于光滑表面皿內及室溫下待乙醇蒸發，乙醇完全蒸干后即得到三維聚苯乙烯模板；

步驟三：將六水合硝酸鋅、六水合硝酸鈷、2-甲基咪唑溶解于甲醇中，待完全溶解后將所配溶液導入之前所得到的三維聚乙烯模板之中，于室溫下靜置0.5～2小時；

步驟四：靜置完成后，取出浸泡后的三維聚乙烯模板，放入甲醇與氨水的混合溶液中，靜置20～30小時；

步驟五：靜置完成后，取出浸泡后的三維聚乙烯模板，放入四氫呋喃溶劑中，攪拌20～30小時；

步驟六：攪拌完成后，用離心機分離上述溶液，得到淺紫色固體樣品，自然晾干所得固體樣品后，將固體樣品在氮氣保護下，碳化1～3小時，即得到含有雙極吸附位點的三維有序多孔鋰硫電池載硫材料。

3.按照權利要求2所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的制備方法，其特征在于，步驟一中，苯乙烯、水、聚乙烯吡咯烷酮和過硫酸鉀的質量比為1：2～10：0.1～5：0.1～5。

4.按照權利要求2所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的制備方法，其特征在于，步驟三中，六水合硝酸鋅、六水合硝酸鈷、2-甲基咪唑和甲醇的質量比為1～10：1：1～10：1～10。

5.按照權利要求2所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的制備方法，其特征在于，步驟四中，甲醇與氨水的體積比為1：1。

6.按照權利要求2所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的制備方法，其特征在于，步驟六中，碳化溫度為700～1000℃。

7.按照權利要求1所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的應用，其特征在于，將三維有序多孔載硫材料與硫粉混合并經過處理后，使活性物質硫儲存于三維有序多孔載硫材料的大孔孔腔之中，即得到碳硫復合物作為鋰硫電池正極。

8.按照權利要求7所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的應用，其特征在于，將所合成的含有雙極吸附位點的三維有序多孔載硫材料與單質硫粉按照1：2～4的質量比例混合并充分研磨后，加入到含有氬氣保護下的密閉容器中，加熱至150～160℃并保溫12～24小時后取出，即得到碳硫復合物。

9.按照權利要求7或8所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的應用，其特征在于，鋰硫電池正極的具體制備過程如下：

(1)配制鋰硫電池正極漿料：將碳硫復合物、導電劑和粘接劑按照8～9：0.1～1：0.1～1的質量比例分散于N-甲基吡咯烷酮，充分攪拌4～12小時，形成正極漿料，正極漿料中的固含量為40～60wt％；

(2)將上述步驟(1)中制得的正極漿料均勻地涂覆在集流體上，在50～100℃溫度下充分干燥12～24小時，并通過裁剪得到鋰硫電池正極極片；

(3)將裁剪后的鋰硫電池正極極片繼續放入真空干燥箱中，在50～100℃下干燥12～24小時。

10.按照權利要求9所述的用于鋰硫電池正極極片的三維有序多孔載硫材料的應用，其特征在于，導電劑為科琴黑或乙炔黑，粘接劑為聚偏氟乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯醇、聚四氟乙烯或羧甲基纖維素鈉，集流體為鋁箔、碳紙、碳布、泡沫鎳、石墨氈、泡沫碳、靜電紡絲碳纖維中的一種。