一种电池正极材料及其制备方法、一种锂硫电池技术

本发明专利技术提供了一种电池正极材料及其制备方法、一种锂硫电池，通过将蔗糖加入浓硫酸进行脱水碳化，获得含有浓硫酸的多孔碳材料，通过浸泡洗涤至中性去除浓硫酸，在惰性气氛下焙烧获得多孔碳，然后用球磨机球磨制备出微纳米多孔碳粉体。该方法制备出的微纳米多孔碳粉体具有均匀微纳米孔结构和高比表面积。最后，通过熏硫负载硫单质，得到多孔碳负载硫复合正极材料。碳的微纳米、多孔结构有助于负载更多的硫单质，提供大量活性位点，抑制多硫化物穿梭。该多孔碳负载硫用作锂硫电池正极材料，具有较高的比容量、较好的倍率性能和循环稳定性。此外，本发明专利技术制备方法的工艺条件温和，步骤简单，产率高，成本低。

A battery positive material and its preparation method, a lithium sulfur battery

【技术实现步骤摘要】
一种电池正极材料及其制备方法、一种锂硫电池
本专利技术属于锂硫电池新能源材料
，具体涉及一种电池正极材料及其制备方法、一种锂硫电池。
技术介绍
锂硫电池是一种以金属锂为负极、单质硫为正极的二次电池，放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极反应和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的工作电压。锂硫电池有较高的理论比容量(1675mAhg-1)，这远大于现阶段所使用的任何商业化二次电池。近年来，锂硫电池因具有高能量密度和髙理论容量等特点，成为高能新型二次电池的主要研究方向之一。又因其电极活性物质单质硫廉价、资源丰富、环境友好，使得锂硫电池极具商业价值。然而，当前锂硫电池却面临很大的挑战：单质硫的电子导电性和离子导电性差，单质硫在室温下的电导率极低(5.0×10-30scm-1)，反应的最终产物Li2S2和Li2S也是电子绝缘体，不利于电池的在高倍率下充放电；由于单质硫正极材料及其放电产物硫化锂导电性差，正极材料充放电过程中的体积效应及其与锂离子形成的多硫化物易溶于有机电解液中，以及多硫化物的“穿梭效应”等问题，致使电池中硫的利用率低、循环性能差、倍率性能差。针对以上问题，目前主要的解决办法是从电解液和正极材料两个方面入手。电解液方面，主要是用醚类的电解液作为锂硫电池的电解液，向电解液中加入一些添加剂(如含氟醚类电解液添加剂，Li2SP2S5添加剂等))，这样可以有效地缓解多硫化锂的溶解问题。正极材料方面，主要是将硫和多孔碳复合，或者多硫化物与多孔碳结合，外层再用导电高分子聚合物包覆，这样可以提高硫复合正极材料的导电性，同时缓解充电过程中产生的体积膨胀问题。2018年，陆胜等人公开了中国专利技术专利“一种三维多孔碳结构锂硫电池正极复合材料的制备方法”(公开号CN108695497A)，该专利利用自发泡法构筑一种具有多级孔结构的三维碳骨架，作为活性物质单质硫的载体，与单质硫复合后，再采用原位聚合的方法，在其表面包覆上导电高分子聚合物，作为复合电极材料用于锂硫电池正极，表现出较好的电化学性能。同时，SunQiang等人在MaterialsLetters(2019,246,165-168)期刊中报道了一种“热处理辅助的可扩展合成介孔碳用于高性能锂硫电池”，得到的介孔碳具有良好的多孔结构，比表面积大，该介孔碳作为锂硫(Li-S)电池的硫载体，锂硫电池性能得到显著提高。现有专利和文献报道的锂硫电池正极材料虽然表现出较好的循环性能，但这些材料的制备方法较复杂，造孔均匀性还难以控制，多孔碳内部的孔洞仍不能很好地束缚硫负离子。同时，锂离子在电极材料中的传输仍然比较困难，难以有效阻止多硫化物向电解液的扩散和“穿梭效应”，导致碳-硫复合物正极的循环稳定性和倍率性较差，不能满足实际应用的需要。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种电池正极材料，为微纳米多孔碳粉体负载硫复合材料，微纳米多孔碳具有大的比表面积，有利于电子和锂离子传输，可负载更多的硫活性物质。本专利技术的另一目的在于提供一种电池正极材料的制备方法，利用价格低廉的蔗糖为原料制备得到微纳米多孔碳，将制备的微纳米多孔碳熏硫获得复合材料，锂硫电池正极材料，制备工艺简单、产率高、成本低。本专利技术最终目的在于提供一种锂硫电池，包括上述电池正极材料。本专利技术具体技术方案如下：一种电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：1)将蔗糖分散在浓硫酸中，脱水碳化，得到多孔碳材料；2)将步骤1)制备的多孔碳材料分散在去离子水中，浸泡洗涤至中性，除去浓硫酸，再烘干；3)将步骤2)制备产物在惰性气氛下焙烧，随后自然冷却至室温，制得多孔碳材料；4)将步骤3)制备的多孔碳材料在球磨机中球磨，制得微纳米多孔碳材料；5)将步骤4)制备的微纳米多孔碳材料与硫粉混合均匀，在惰性气氛下熏硫，得到电池正极材料。步骤1)中所述蔗糖的质量为1～50g，浓硫酸与蔗糖的质量比为5：1～1：1；步骤1)中所述脱水碳化在温度为80～280℃条件下进行，脱水碳化时间为0.5～12h；步骤2)中所述浸泡洗涤，每次浸泡时间为0.5～3h，洗涤6-15次；步骤3)中所述焙烧温度为550～1100℃，焙烧时间1～15h；步骤4)中所述球磨机转速为80～450r/min，时间为2～8h；步骤5)中所述微纳米多孔碳材料与硫粉的质量比为1：1～1：4；步骤5)所述熏硫在惰性气氛下，熏硫温度为130～170℃，熏硫时间为12～50h。本专利技术提供的一种电池正极材料，采用上述方法制备得到。本专利技术提供的一种锂硫电池，包括上述电池正极材料。为了改进锂硫电池的电化学性能，本专利技术公布一种微纳米多孔碳的制备方法。该方法制备的多孔碳具有高的比表面积，可负载更多的活性物质硫，纳米级的孔洞有利于锚定多硫化物；同时微纳米多孔碳为多硫化物的硫链形成多硫酸盐复合物而起缓冲作用，可缓解充放电过程中的体积膨胀问题，以及减少活性质量损失，抑制多硫化物穿梭，该材料应用于锂硫电池正极材料，具有良好的循环稳定性和高的比容量。同时碳源充足且价格低廉易得，并且制备方法简单可行。本专利技术采用新颖的合成方法，通过简单的合成步骤获得微纳米多孔碳、锂硫电池正极材料和锂硫电池，包括正极、负极和电解质，所属正极和负极之间设有隔膜，所述正极和隔膜之间设置有多孔碳负载硫的电极片。利用微纳米多孔碳的多孔微纳结构，增强了电池充放电过程中物质的传输与交换，而且也极大地提高了正极材料的电子传输能力。本专利技术是通过将蔗糖分散到浓硫酸中进行脱水碳化，得到含有浓硫酸的多孔碳材料，通过浸泡洗涤至中性去除浓硫酸，在惰性气氛下焙烧，再经球磨获得微纳米多孔碳。本专利技术将蔗糖分散于浓硫酸中，在烘箱中加热进行脱水碳化反应。上述操作的主要目的是为了使脱水碳化反应进行的更彻底。多孔碳材料分散在去离子水中，浸泡洗涤至中性，主要是为了除去多孔碳中的浓硫酸。将多孔碳材料在惰性气氛下高温焙烧，主要是为了提高产物的结晶性和导电性，同时也能有效除去多孔碳包覆的浓硫酸。随着煅烧温度的升高，产物的结晶性和导电性有显著提高，同时产物的比表面积也略有增加。但是，温度太高时，产率略有下降。将多孔碳材料在球磨机中球磨一段时间，主要是减小多孔碳的尺寸，得到微纳米多孔碳粉体。该方法制备出的多孔碳的比表面积为750-1186m2/g，孔径分布在1.6-5.5nm。最后，通过熏硫，获得多孔碳负载硫的复合正极材料。制备的多孔碳具有高的比表面积，可负载更多的活性物质硫，纳米级的孔洞有利于锚定多硫化物；同时微纳米多孔碳为多硫化物的硫链形成多硫酸盐复合物而起缓冲作用，可缓解充放电过程中的体积膨胀问题，以及减少活性质量损失，抑制多硫化物穿梭，该材料应用于锂硫电池正极材料，具有良好的循环稳定性和高的比容量。与现有技术相比，本专利技术提供的微纳米多孔碳制备方法，工艺条件温和、操作步骤简单、产率高、成本低。获得的微纳米多孔碳材料具有均匀微纳米孔结构和比表面积大的优点，该微纳米多孔碳负载硫后作为锂硫电池正极材料，具有良好的导电性，纳米级的多孔结构能够有效抑制充放电过程中的体积效应和“穿梭效应”，从而使该锂硫电池具有比容量高，倍率性能好和循环稳定性好等优点。同时作为碳源的蔗糖充足且价格低廉易得，并且制备方法简单可行。附图说明图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将蔗糖分散在浓硫酸中，脱水碳化，得到多孔碳材料；2)将步骤1)制备的多孔碳材料分散在去离子水中，浸泡洗涤至中性，除去浓硫酸，再烘干；3)将步骤2)制备产物在惰性气氛下焙烧，随后自然冷却至室温，制得多孔碳材料；4)将步骤3)制备的多孔碳材料在球磨机中球磨，制得微纳米多孔碳材料；5)将步骤4)制备的微纳米多孔碳材料与硫粉混合均匀，在惰性气氛下熏硫，得到电池正极材料。

【技术特征摘要】
1.一种电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)将蔗糖分散在浓硫酸中，脱水碳化，得到多孔碳材料；2)将步骤1)制备的多孔碳材料分散在去离子水中，浸泡洗涤至中性，除去浓硫酸，再烘干；3)将步骤2)制备产物在惰性气氛下焙烧，随后自然冷却至室温，制得多孔碳材料；4)将步骤3)制备的多孔碳材料在球磨机中球磨，制得微纳米多孔碳材料；5)将步骤4)制备的微纳米多孔碳材料与硫粉混合均匀，在惰性气氛下熏硫，得到电池正极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中浓硫酸与蔗糖的质量比为5：1～1：1。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述脱水碳化温度为80～280℃，脱水碳化时间为0.5～12h；4.根据权利要求1所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄家锐，汪楠楠，
申请(专利权)人：安徽师范大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34