[发明专利]一种锂硫电池用复合正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源领域，涉及一种锂硫电池正极材料制备方法，特别涉及一种炭气凝胶-硫复合正极材料制备方法。

背景技术

随着便携式电子产品普及，储能技术和电动汽车的迅猛发展，对锂离子电池能量密度和功率密度的要求越来越高。有预测称，未来4G移动通讯要求电池的能量密度达到500Wh/Kg以上。锂硫电池具有高比容量（1675 mAh/g）和高能量密度（2600 Wh/kg），正极材料单质硫资源丰富、价格低廉、环境友好。所以锂硫电池是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次电池。但是存在着正极活性物质单质硫导电性差，放电过程的中间产物多硫化物易溶解于电解液，在电解液中发生“穿梭效应”，造成活性物质的不可逆损失和容量衰减。同时最终放电产物Li₂S的不溶解性和电绝缘性使得正极和负极钝化。目前硫正极材料主要通过将单质硫吸附到具有良好导电性，高比表面积和高孔隙率的炭素材料上，形成硫炭复合材料。

目前在锂硫电池文献中报道的炭素材料活性炭、乙炔黑、碳纳米管均不能同时兼备良好的导电性、高比表面积和高孔隙率等优异的特性。活性炭比表面积大但导电性能差；乙炔黑导电性能好但是比表面积小；碳纳米管比表面积和导电性均一般，而且价格贵。而炭气凝胶材料是一种具有良好的导电性和高比表面积的材料，并且通过对其改性炭气凝胶材料的性能还能得到进一步的提高，急需开发一种制备方法对炭气凝胶改性修饰使炭气凝胶同时兼备更高的导电性、比表面积和孔隙率。

中国专利CN102874791A公开了一种炭气凝胶材料的制备方法。将氢氧化钾对通过溶胶-凝胶法制备的炭气凝胶材料进行单一活化的作用，提高了其比表面积和孔容，但是活化后孔容增加，孔隙增大，碳结构破坏，导电性能削弱，碳材料的传输阻抗增大。

中国专利CN101891930A 公开了一种用热处理制备碳纳米管的硫基复合正极材料的方法，这种方法有利于碳纳米管的分散和硫的均匀分布，但复合材料中硫含量低且难以控制。

M. Rao等（Journal of Power Sources，2012.Vol205：474-478）报道了将Na₂S_x溶液与甲酸溶液通过化学反应产生的硫与碳材料在液相中制备硫碳复合材料。采用此种液相制备方法得到的硫颗粒小，复合材料均匀分散且载硫量高，但是合成过程中发生反应S_x^2 ++ 2H⁺→ (x -1)S + H₂S，会有H₂S有毒气体放出，污染环境。

中国专利CN102832379 A公开了一种锂硫电池正极材料的制备方法：将单质硫与有机溶剂混合均匀使得单质硫完全溶解，将炭材料加入硫-有机溶液中，搅拌均匀，通过自然挥发或者加热挥发的方法去除溶剂，得硫-碳复合材料。该制备方法简单，复合材料载硫量高，但是通过自然挥发或加热挥发去除溶剂时间长；挥发过程缓慢，硫会缓慢结晶，导致析出的硫颗粒大而且粒度不均匀。

因此，亟需开发一种修饰炭气凝胶材料的方法，使炭气凝胶材料表面积和孔容增大的同时，兼备更好的导电性能。同时需开发一种碳硫分布均匀，载硫量高且可控，硫颗粒粒度小，无污染，操作简单的用碳硫复合材料的制备方法，以改善其电化学性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种锂硫电池正极用的炭气凝胶-硫复合材料的制备方法，该方法制备的炭气凝胶-硫复合材料，兼备更高的导电性、比表面积和孔隙率。材料中硫含量高，硫颗粒小，粒度可控均匀。制备工艺中使用的有机溶剂回收简单，萃取剂经压缩可循环使用，萃取效率高，操作简单，无污染。