空心球形类石墨相C3N4和单质硫复合材料及其制法和应用制造技术

本发明专利技术提供了一种空心球形类石墨相C3N4和单质硫的复合材料及其制备方法和应用。具体的，本发明专利技术提供的复合材料，包括空心球形类石墨相C3N4和单质硫，其中，所述单质硫以颗粒形式分布于所述空心球形类石墨相C3N4的内部和/或表面。所述复合材料作为锂硫电池的正极材料，能够有效克服碳材料表面疏水到导致的难以吸附多硫化合物的问题，有效避免多硫化物向电解液中溶解扩散。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电池正极材料领域，具体地涉及空心球形类石墨相C3N4和单质硫复合材料及其制法和应用。
技术介绍
随着科技的不断进步和社会的不断发展，越来越多的电子设备和电力驱动设备被应用到日常生活当中，人们希望设计出性能优越的可充电电池来解决当今非常迫切的能源和环境问题。经过二十几年的发展，商业化锂离子电池的能量密度目前已可达到120Whkg-1以上,然而受其工作原理的限制，锂离子电池的能量密度难以突破300Whkg-1，与传统化石能源相比依然有相当大的差距。因此，亟需研发具有更高能量密度的新型电化学储能体系，而锂硫电池则是其中最受关注的新型电池之一。锂硫电池具有较高的理论比能量(2600Whkg-1)，且单质硫廉价易得且无毒等优点。但是目前锂硫电池正极材料仍然面临着一系列严重的问题，比如循环性能差、电极材料活性物质利用率低等。目前人们多采用碳材料与单质硫复合来克服以上缺点，但是碳材料特有的疏水表面很难吸附多硫化物，进而造成多硫化物向电解液中溶解扩散。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能够有效克服碳材料表面疏水导致的难以吸附多硫化合物的问题，有效避免多硫化物向电解液中溶解扩散的可作为锂硫电池的正极材料的复合材料。在本专利技术的第一方面，提供了一种复合材料，所述复合材料包括空心球形类石墨相C3N4和单质硫，其中，所述单质硫以颗粒形式分布于所述空心球形类石墨相C3N4的内部和/或表面。在一优选例中，所述复合材料具有能与锂反应的反应相。在另一优选例中，所述复合材料具有的能与锂反应的反应相为单质硫。在另一优选例中，所述单质硫包括升华硫、纳米硫颗粒或以化学方法生成的硫微粒中的一种或多种。在另一优选例中，所述空心球形类石墨相C3N4的球壁上具有多个孔洞，且至少有一颗单质硫颗粒分布于所述空心球形类石墨相C3N4的球壁的至少一个孔洞内。在另一优选例中，所述孔洞的大小为2～5nm。在另一优选例中，所述单质硫以纳米颗粒形式分布于空心球形类石墨相C3N4的空腔内部和球壁上的孔洞中。在另一优选例中，所述空心球形类石墨相C3N4的直径为300～900nm，且该空心球形类石墨相C3N4的球壁厚度为20～200nm。在另一优选例中，所述空心球形类石墨相C3N4的直径为400～600nm，该空心球形类石墨相C3N4的球壁厚度为40～90nm。在另一优选例中，位于所述空心球形类石墨相C3N4空腔内部的单质硫颗粒的尺寸为20～700nm，和/或位于所述空心球形类石墨相C3N4球壁的孔洞内的单质硫颗粒的尺寸为1～20nm。在另一优选例中，所述单质硫颗粒的尺寸为1～3nm。在另一优选例中，位于所述空心球形类石墨相C3N4球壁的孔洞内的单质硫颗粒的尺寸为1～3nm。在另一优选例中，所述单质硫颗粒以3nm以下的颗粒形式分布于空心球形类石墨相C3N4球壁表面的极少数孔洞内。在另一优选例中，位于所述空心球形类石墨相C3N4空腔内部的单质硫颗粒的尺寸为100～300nm。在另一优选例中，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为1～99％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为1～99％；较佳地，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为50～30％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为50～70％；所述重量百分比以所述复合材料的总重量计。在另一优选例中，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为20～80％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为20～80％，所述重量百分比以所述复合材料的总重量计。在另一优选例中，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为20～70％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为30～80％，所述重量百分比以所述复合材料的总重量计。在另一优选例中，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为20～50％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为50～80％，所述重量百分比以所述复合材料的总重量计。在另一优选例中，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为20～40％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为60～80％，所述重量百分比以所述复合材料的总重量计。本专利技术的第二方面，提供了一种本专利技术第一方面所述复合材料的制备方法，包括以下步骤：(a)提供空心球形类石墨相C3N4和单质硫；(b)通过真空熔融法和/或真空蒸汽法将所述空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合后得到所述复合材料。在一优选例中，通过采用真空熔融法和/或真空蒸汽法将所述空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合后得到所述复合材料。在另一优选例中，采用空心球形类石墨相C3N4作为单质硫的载体，通过一定方法制备空心球形类石墨相C3N4/单质硫复合材料，其中，该复合材料中空心球形类石墨相C3N4具有多孔结构，能够在一定程度上以物理方式束缚放电过程中产生的多硫化锂；空心球形类石墨相C3N4具有的极性表面，能够在一定程度上以化学方式吸附多硫化物，从而减少了多硫化物向电解液中的溶解。此外，空心球形结构特有的空腔能够在很大程度上提高材料的含硫量。在另一优选例中，在所述步骤(b)中，如果采用所述真空熔融法，则将所述空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合均匀后在密封真空条件下100～600℃反应3～20h，并重复该操作1～4次；如果采用所述真空蒸汽法，则将所述空心球形类石墨相C3N4在密封真空条件下置于硫蒸汽中，100～900℃反应1～10h，并重复该操作1～4次；如果同时采用所述真空熔融法和真空蒸汽法，则将空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合均匀后在密封真空条件下100～300℃反应8～15h，接着在300～600℃反应1～6h。在一优选例中，在所述步骤(b)中，如果采用所述真空熔融法，则将所述空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合均匀后在密封真空条件下150～160℃反应10～14h。在另一优选例中，在所述步骤(b)中，采用所述真空熔融法，则将所述空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合均匀后在密封真空条件下300～500℃反应4～6h，并重复该操作1～4次。在另一优选例中，所述将空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合均匀的方法包括以下两种方法：(1)将单质硫和空心球形类石墨相C3N4采用机械法混合均匀；(2)将纳米单质硫和空心球形类石墨相C3N4分别分散于分散液中，然后将以上两种分散液混合搅拌，过滤干燥。其中，石墨相C3N4的分散液包括水、乙醇等；单质硫的分散液包括水、乙醇、异丙醇等。在另一优选例中，在所述步骤(b)中，如果采用所述真空蒸汽法，则将所述空心球形类石墨相C3N4在密封真空条件下置于硫蒸汽中，300～500℃反应4～6h，并重复该操作1～4次。在另一优选例中，在所述步骤(b)中，如果同时采用所述真空熔融法和真空蒸汽法，则将空心球形类石墨相C3N4和单质硫混合均匀后在密封真空条件下150～160℃反应10～14h，接着在300～500℃反应3～6h。本专利技术的第三方面，提供了一种电池用正极材料，所述正极材料包括本专利技术第一方面所述的复合材料，并且，在该正极材料中所述空心球形类石墨相C3N4和单质硫两者占有的重量百分比为30～99％，以所述正极材料的总重量计。在一优选例中，在所述正极材料中，包含的所述复合材料为正极活性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括空心球形类石墨相C3N4和单质硫，其中，所述单质硫以颗粒形式分布于所述空心球形类石墨相C3N4的内部和/或表面。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括空心球形类石墨相C3N4和单质硫，其中，所述单质硫以颗粒形式分布于所述空心球形类石墨相C3N4的内部和/或表面。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述空心球形类石墨相C3N4的球壁上具有多个孔洞，且至少有一颗单质硫颗粒分布于所述空心球形类石墨相C3N4的球壁的至少一个孔洞内。3.如权利要求1或2所述的复合材料，其特征在于，所述空心球形类石墨相C3N4的直径为300～900nm，且该空心球形类石墨相C3N4的球壁厚度为20～200nm。4.如权利要求2所述的复合材料，其特征在于，位于所述空心球形类石墨相C3N4空腔内部的单质硫颗粒的尺寸为20～700nm，和/或位于所述空心球形类石墨相C3N4球壁的孔洞内的单质硫颗粒的尺寸为1～20nm。5.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为1～99％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为1～99％；较佳地，所述复合材料中空心球形类石墨相C3N4的重量百分比为50～30％，所述复合材料中单质硫颗粒的重量百分比为50～70％；所述重量百分比以所述复合材料的总重量计。6.一种权利要求1至5中所述复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩伟强，孟阵，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33