[發明專利]一種三維多孔碳納米片-硫材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110241317.4
• 申請日: 2021-03-04
• 公開（公告）號: CN112838215B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發明（設計）人: 孫立賢;程日光;徐芬;管彥洵;黃俊康;林琪;李昊
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M4/13;H01M4/139;H01M10/052;B82Y30/00;B82Y40/00
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本發明公開一種三維多孔碳納米片?硫材料，由三聚氰胺、植酸和硫為原料，通過溶液混合法和高溫熱解法合成三維多孔碳納米片，再通過熔融法獲得三維多孔碳納米片?硫材料，所述三維多孔碳納米片?硫材料的硫含量為80?90%。其制備方法包括以下步驟：1）熱解法制備三維多孔碳納米片；2）熔融法制備三維多孔碳納米片?硫正極材料。其中，采用二段熱解和二段熱處理。作為鋰硫電池正極的應用，當電流密度為838 mA/cm²時，循環充放電200次后，放電比容量為600?700 mAh/g，庫倫效率較穩定接近100%；當電流密度為1675 mA/g時，循環充放電500次后，放電比容量為400?600 mAh/g，平均每次衰減率為0.079%。本發明具有以下優點：具有高含硫量、抑制多硫化物溶解；降低電池容量衰減，改善循環性能。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，具體是一種三維多孔碳納米片-硫材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著社會發展，人類對于能源的需求逐漸增大。然而隨著對煤、石油、天然氣等化石燃料資源近200年的持續加速開采，資源已逐步趨于耗竭。因此，能源問題和環境問題成為全球關注并迫切需要解決的問題。發展具有高能量、高密度、高安全性、綠色環保和低成本的二次電池在新能源領域具有重大意義。鋰硫電池是二次電池體系中具有較高能量密度的一種，采用單質硫或含硫材料作為正極活性物質，其理論能量密度達2600Wh/kg，且具有硫資源豐富、環境友好、價格便宜等優點。高硫含量的鋰硫電池具有高的容量密度和能量密度有利于電動汽車的需求，能夠實現克服鋰離子電池能量密度不能滿足電動汽車的技術問題。

單質硫為絕緣體的缺陷是鋰硫電池主要問題的根源所在，因而正極材料的研究成為高性能鋰硫電池開發的關鍵。為應對以上挑戰，通過將硫單質與良好導電性能及特定結構基體復合可大大克服硫導電率低的問題，減小體積膨脹和“穿梭效應”進而改善其電化學活性的有效途徑，同時利用載硫材料對多硫化鋰的物理或化學吸附作用可以有效抑制中間產物溶出，從而改善復合正極的循環穩定性。針對硫正極的復合改性，研究者們設計合成了一系列復合硫正極材料，有效提高了鋰硫電池的電化學性能，用于鋰硫電池復合的基質材料一般可分為三類：碳材料、無機化合物、導電聚合物。

在碳材料中，石墨烯衍生物具有單層碳原子厚度和無質量的狄拉克費米子，以其高比表面積、優異的電子導電性和力學性能、良好的化學熱穩定性，成為鋰硫電池應用中負載硫的有效基底。研究人員已經證明，將硫包裹在石墨烯薄片中形成二維石墨烯/硫復合材料，可在一定程度上避免硫本身的絕緣性，且其機械強度可抑制硫的體積膨脹，大大提高循環性能。然而，由于其為單層開放的結構，對硫的儲存量不高、無法捕獲多硫化物，導致負載的硫含量較低、庫倫效率低、循環穩定性有限。

因此，將石墨烯納米片組裝成具有三維立體結構，且內部具有較大的反應空間、和抑制多硫化物溶解于電解液，有利于電子和離子在三維空間的反應與傳輸，是一種很有前途的包裹或錨固硫的載體材料，用于制備優良的鋰硫電池復合正極。

Jiang 等人通過一步水熱法合成了一種三維多孔石墨烯氣凝膠/硫（GA-S）納米復合材料 (Yong Jiang, Mengna Lu, Xuetao Ling, et al. One-step hydrothermalsynthesis of three-dimensional porous graphene aerogels/sulfur nanocrystalsfor lithium–sulfur batteries-ScienceDirect. Journal of Alloys and Compounds645(2015):509-516.)，以抑制硫電極的容量快速衰減。在電流密度為1 A/g下，循環50次后比容量有517.49 mA h/g，該材料載硫量為73.69%。