一种多孔碳/硫复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种多孔碳/硫复合材料及其制备方法。该方法包括如下步骤：（1）向海藻酸和金属氢氧化物的混合物中加入水并搅拌均匀得到反应溶液；（2）将该反应溶液蒸去水分，然后在非氧化气氛下进行加热得到多孔碳材料的前体；（3）用水或酸溶液处理所述多孔碳材料的前体，然后经干燥得到多孔碳材料；（4）将所述多孔碳材料与硫粉的混合物进行加热即得所述多孔碳/硫复合材料。本发明专利技术还提供了上述多孔碳/硫复合材料在作为电池电极材料中的应用，特别是作为锂硫电池正极材料的应用。与现有技术相比，本发明专利技术提供的多孔碳/硫复合材料的制备方法简单，原料易得，适宜大规模生产，实用化程度高；本发明专利技术提供的多孔碳/硫复合材料，可直接作为电池的电极材料使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多孔碳/硫复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
随着锂离子电池在便携式电子产品、电动汽车和即插式混合电动车中的广泛应用，迫切需要开发更高能量密度的电池。由于提高锂离子电池正极材料容量受到限制，锂离子电池的能量密度难以进一步大幅度增加。同时通过增加正极材料的电压平台提高能量密度又会带来安全性问题。将正极材料从“脱嵌机理”转到“转换反应化学机理”，可望得到高比容量和比能量的材料。单质硫是最有前途的材料之一。硫同金属锂完全反应生成Li2S,电池反应为S+2Li=Li2S，为双电子反应过程，不涉及锂离子的脱嵌反应。由于硫的分子量低， 因此硫的理论比容量高达167511^1 -1 (几乎是LiFePO4的10倍)，而理论比能量则为2600WhKg'此外，单质硫在自然界储量丰富、低毒、价格低廉，因此单质硫是一种非常有吸引力的正极活性物质。但是，硫正极材料也面临一些挑战，主要包括1)硫的绝缘性(室温电导率为5 X IO-30S cm-1),其离子导电性和电子导电性都很低，使得硫的电化学性能变差，活性物质利用率低；2)充放电过程中生成的多硫化物易溶于电解液中，电极活性物质逐渐减少，容量降低；3)由于穿梭原理，电解液中溶解的多硫化物穿过隔膜与锂负极接触，生成不溶的硫化锂，而硫化锂导电性差，导致锂负极腐蚀和电池内阻增加，最终电池的容量衰减，循环性能变差。碳材料的表面对硫有亲合性，与硫之间有较强的物理吸附作用，因此可通过将单质硫与具有高导电率、高比表面或高孔容量的多孔碳材料相复合，使硫填充到多孔碳载体内部的孔和通道中制备出碳硫复合材料。在硫碳复合材料中，硫粒子的尺度受到限制，有效提高了复合材料的电导率，降低了硫的粒径和离子传导距离，并抑制中间产物的溶解及向负极的迁移，从而提高单质硫的利用率，进一步改善其循环性能。当前文献中大多采用模板法制备多孔碳材料，再与硫复合，制备硫碳复合材料，这种方法步骤较多，操作繁琐，实验重复性不好，且得到的硫碳复合材料的高倍率性能和循环性能较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种孔碳/硫复合材料及其制备方法与应用。本专利技术所提供的一种多孔碳/硫复合材料的制备方法，包括如下步骤(I)向海藻酸和金属氢氧化物的混合物中加入水并搅拌均匀得到反应溶液；(2)将该反应溶液蒸去水分，然后在非氧化气氛下进行加热得到多孔碳材料的前体；(3)用水或酸溶液处理所述多孔碳材料的前体，然后经干燥得到多孔碳材料；(4)将所述多孔碳材料与硫粉的混合物进行加热即得所述多孔碳/硫复合材料。上述的制备方法中，步骤(I)中，所述金属氢氧化物可选自LiOH、NaOH、Κ0Η、Mg (OH) 2 和 Ca (OH) 2 中任意一种；所述海藻酸和金属氢氧化物的混合物中，所述金属氢氧化物的质量百分含量可为I 90%，具体可为 5% 90%、25% 90%、40% 90%、65% 90%、25%、30%、35%、40%、50%、55%、60%、65%、75% 或 90%。上述的制备方法中，步骤(2 )中，所述非氧化气氛可为氮气、氩气、氢气或氦气中至少一种；所述加热的温度可为300 1000 ° C，具体可为300 ° C 900 ° C、500 ° C 1000。 C、300。 C、400。 C、500。 C、600。 C、700。 C、750。 C、800。 C、850。 C、900。 C 或1000。C ；加热的时间可为O. 5 72h，具体可为 5h 72h、10h 48h、12h 24h、4h、6h、8h、10h、12h、24h、48h 或 72h。 上述的制备方法中，步骤(3)中，所述酸溶液可为任意浓度的硝酸、硫酸、盐酸或氢氟酸；所述处理的温度可为20° C 150° C，具体可为20° (T70° C、20° C、30° C、40。C、50。C、60。C 或 70。C，处理的时间可为 0. 5 72h，具体可为 12 Γ72Κ24 Γ48Κ 12h、24h、36h、48h或72h，得到的多孔碳材料的孔径为O. InnTlOO μ m ；所述干燥的温度可为20° C 300° C，具体可为80° C 250° C、150° C 250° C、80。CU00° C、120。C、150。C、200。C 或 250。C。上述的制备方法中，步骤(4)中，所述多孔碳材料与硫粉的混合物中，所述硫粉的质量百分含量可为 5% 80%，如 15%、20%、25%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、75% 或 80%。所述加热的温度可为80 300° C，具体可为80° C 250 ° C、120° C 200 ° C、80° C、120° C、130° C、140° C、150° C、160° C、170° C、180° C、190° C、200 ° C、220。C、230。C、250。C 或 300。C ；时间可为I 72h，具体可为 10 Γ72Κ10 Γ48Κ10Κ24Κ36Κ40Κ48Κ601ι 或 72h。本专利技术还提供了上述多孔碳/硫复合材料在作为电池电极材料中的应用，特别是作为锂硫电池正极材料的应用。本专利技术还提供了一种能量存储元件，所述能量存储元件含有上述的多孔碳/硫复合材料，该能量存储元件优选锂硫电池。本专利技术还提供了一种便携式电子设备，所述便携式电子设备包括上述的能量存储元件；所述便携式电子设备具体可为移动电话、照相机、摄像机、MP3、MP4或笔记本电脑。与现有技术相比，本专利技术提供的多孔碳/硫复合材料的制备方法简单，原料易得，适宜大规模生产，实用化程度高；本专利技术提供的多孔碳/硫复合材料，可直接作为电池的电极材料使用。附图说明图I为实施例I制备的多孔碳/硫复合材料的扫描电子显微镜照片。图2为实施例I中多孔碳/硫复合材料作为锂硫电池正极材料时的充放电曲线。具体实施例方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例I、制备多孔碳/硫复合材料称取海藻酸和氢氧化钠的混合物，氢氧化钠的质量比例为50%，加入水，搅拌混合均匀。蒸去水分，在700° C下，氮气氛加热8h。反应完毕，加入50%硫酸水溶液，室温搅拌24h后，离心用水洗涤数次至中性。80° C下真空干燥，得到多孔碳。称取多孔碳和硫粉的混合物，硫的质量含量为50%，混合均匀后，在空气氛下，120° C下加热48h，得到多孔碳/硫复合材料。本实施例制备的多孔碳/硫复合材料的扫描电子显微镜照片如图I所示。多孔碳/硫复合材料的电化学性能表征将制备得到的多孔碳/硫复合材料、碳黑和粘结剂以质量比80 1010混合配成 浆料，均匀地涂敷到铝箔集流体上得到工作电极，以锂金属薄片作为对电极，玻璃纤维膜(英国Whatman公司)作为隔膜，lmol/L LiPF6 (溶剂为体积比I :1的碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯混合液)作为电解液，在手套箱中装配得到Swagelok型电池。将上述装配的电池在LAND充放电测试仪上进行充放电测试，测试的充放电区间为 I. 0-3. 0V。结果如图2所示，合成的多孔碳/硫复合材料具有很好的充放电曲线。可见，本专利技术合成的多孔碳/硫复合材料用作锂硫电池正极材料时，具本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔碳/硫复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）向海藻酸和金属氢氧化物的混合物中加入水并搅拌均匀得到反应溶液；（2）将该反应溶液蒸去水分，然后在非氧化气氛下进行加热得到多孔碳材料的前体；（3）用水或酸溶液处理所述多孔碳材料的前体，然后经干燥得到多孔碳材料；（4）将所述多孔碳材料与硫粉的混合物进行加热即得所述多孔碳/硫复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉国，郭维，殷雅侠，万立骏，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：