[發(fā)明專利]一種硫/碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010511982.6
• 申請(qǐng)日: 2020-06-08
• 公開（公告）號(hào): CN111661835B
• 公開（公告）日: 2022-11-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任慢慢;鐘文;劉震;楊飛;肖亭嬌;劉偉良
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 齊魯工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/15
• 分類號(hào): C01B32/15;C01B17/00;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11385
• 代理人: 李正

本發(fā)明涉及電極材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硫/碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。利用本發(fā)明所述的制備方法制備得到的硫/碳復(fù)合材料以空心碳納米管復(fù)合空心碳納米球的特殊結(jié)構(gòu)作為硫的載體，有效的增強(qiáng)了硫/碳復(fù)合材料的導(dǎo)電性，縮短了其作為正極材料在充放電過程中的離子傳輸路徑，加快了電子的傳輸，提高了電化學(xué)的循環(huán)穩(wěn)定性；且所述制備方法簡單，成本低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電極材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硫/碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰硫電池是目前最有前途的可充電電池之一，已被視為替代當(dāng)前商用鋰離子電池的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于其具有1675mA·h·g^-1的高理論比容量和2600W·h·kg^-1的高能量密度，且成本低，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，引起人們的高度關(guān)注。但是，鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用的道路上仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：(1)由于硫固有的絕緣性質(zhì)，使其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢，并且最終放電產(chǎn)物(Li₂S)覆蓋在活性物質(zhì)表面降低了硫的利用率；(2)循環(huán)過程中由于硫和Li₂S密度差而引起的體積變化大(高達(dá)80％)，導(dǎo)致電極開裂以及活性物質(zhì)的消耗；(3)高溶解性多硫化鋰擴(kuò)散引起的穿梭效應(yīng)，導(dǎo)致容量快速衰減和嚴(yán)重的自放電。

為了克服上述問題，科學(xué)家們已經(jīng)做出了各種努力，包括電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，載體材料的引入以及固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)等。在這些策略中，硫載體材料的設(shè)計(jì)和制備是最受歡迎的策略，近年來得到了廣泛的研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種硫/碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，所述制備方法制備得到的硫/碳復(fù)合材料，其空心碳納米管復(fù)合空心碳納米球的特殊結(jié)構(gòu)作為硫的載體，有效的增強(qiáng)了硫/碳復(fù)合材料的導(dǎo)電性，縮短了其作為正極材料在充放電過程中的離子傳輸路徑，加快了電子的傳輸，提高了電化學(xué)的循環(huán)穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種硫/碳復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

將正硅酸四丙酯和混合溶劑進(jìn)行第一混合，得到第一混合液；

將間苯二酚、甲醛、聚吡咯管和所述第一混合液進(jìn)行第二混合，發(fā)生水解縮合反應(yīng)，得到聚吡咯/空心碳納米球中間產(chǎn)物；所述聚吡咯/空心碳納米球中間產(chǎn)物包括聚吡咯、二氧化硅和RF聚合層；所述RF聚合層為間苯二酚和甲醛的聚合層；所述二氧化硅和RF聚合層構(gòu)成核殼結(jié)構(gòu)，所述核殼結(jié)構(gòu)的核為二氧化硅，所述核殼結(jié)構(gòu)的可為二氧化硅與RF聚合層形成的復(fù)合物；所述聚吡咯與所述核殼結(jié)構(gòu)中的RF聚合層復(fù)合；

將所述聚吡咯/空心碳納米球中間產(chǎn)物進(jìn)行碳化后，去除SiO₂，得到聚吡咯/空心碳納米球；

將硫粉與所述聚吡咯/空心碳納米球混合后，進(jìn)行熱處理，得到所述硫/碳復(fù)合材料；

所述混合溶劑包括乙醇、氨水和去離子水。

優(yōu)選的，所述氨水的物質(zhì)的量濃度為9.5～11.1mol/L；

所述乙醇、氨水和去離子水的體積比為(70～210)：(3～9)：(10～30)；

所述正硅酸四丙酯與所述乙醇的體積比為(3～11)：(70～210)。

優(yōu)選的，所述間苯二酚、甲醛和聚吡咯管的質(zhì)量比為(0.4～1.2)：(0.6～1.7)：(0.1～0.3)；

所述間苯二酚的質(zhì)量與所述正硅酸四丙酯的體積比為(0.4～1.2)g：(3～11)mL。

優(yōu)選的，所述水解縮合反應(yīng)的時(shí)間為24～48h。

優(yōu)選的，所述碳化在惰性保護(hù)氣氛中進(jìn)行；

所述碳化的溫度為600～800℃，所述碳化的時(shí)間為5～9h。