[发明专利]一种多孔碳材料在锂‑亚硫酰氯电池正极中的应用

说明书

技术领域

本发明属于一次电池领域，具体涉及一种碳材料在锂-亚硫酰氯电池中的应用。

背景技术

锂-亚硫酰氯电池除具有锂电池的电压高、能量大、放电平台稳定等优点而被广泛应用外,还因其工作温度范围宽、贮存寿命长而在某些特殊领域受到更多重视。锂-亚硫酰氯电池虽然比其他几种锂电池商品化要晚,但已成为当今世界上生产的主要锂电系列。该电池负极为金属Li，正极采用多孔碳材料制备，电解液通常采用LiAlCl₄作为溶剂，SOCl₂作为溶剂，同时SOCl₂作为活性物质吸附在正极中。电池表达式为：(-)Li|SOCl₂-LiAlCl₄|SOCl₂(C)(+)。

放电过程中，负极金属锂被氧化为锂离子，而正极中，SOCl2被还原，其产物为S和LiCl。正极放电产物均不溶于电解液，沉积占据电极孔道直至放电结束。因此，作为电化学反应发生的场所，碳材料孔结构物性参数，如：比表面积、孔容、孔径分布对电池性能，尤其是放电容量具有重要的影响。

电池放电过程中，固体产物沉积对电极孔道的占据势必影响锂离子在其中的传输，进而增大离子传输电阻，特别是在放电末期，严重制约电极反应的进行，从而成为降低电极空间利用率的关键因素。因此，为了避免电极孔道的过度堵塞，通常可采用富含大孔结构的碳材料，例如乙炔黑。然而，该材料比表面积较低，而材料的比表面积直接决定了其电化学反应界面的大小，因此不利于电池的大电流放电性能；同时，其孔容也较小，从而不利于获得较高的放电容量。另一方面，当采用具有较大比表面积和孔容的碳材料，如科琴黑，此时由于其所含大孔比例较低，因此电极孔道在放电过程中极易堵塞，因此，不适宜应用于锂-亚硫酰氯电池。

由此可见，传统的颗粒型碳材料，由于其孔道空间主要由颗粒间空隙构建，较大的颗粒粒径有利于获得较大的孔径，但其比表面积和孔容却较低；另一方面，虽然较小的颗粒粒径可获得较大的比表面积和孔容，但其大孔含量却较低。因此，采用该类型孔结构的碳材料无法在高比表面积，高孔容与大孔间实现平衡。

因此，为了解决这一问题，需要从材料的孔形成机制方面进行突破。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有多级孔分布的碳材料在锂-亚硫酰氯电池中的应用。

构成该碳材料的碳颗粒具有类蜂窝状的孔结构，其颗粒尺寸为1-30um，优选范围为1-10um，其颗粒间间隙可用作大孔锂离子传输通道；同时，其内部由碳片层构建交错贯通的产物沉积孔道，其孔径范围主要集中于5～90nm，优选范围为10-60nm，具体值可通过调控碳材料制备工艺参数实现，较小的孔径可在颗粒内部形成较大的比表面积和孔容。因此，通过采用该结构的碳材料，可有效解决传统结构碳材料所面临的问题，实现高比表面积，高孔容与大孔构建间的平衡。

本发明所述碳材料孔容为0.5～5cm3/g；碳颗粒内部除了由碳片层作为孔壁而构成的交错贯通孔之外，还存在均匀分布于碳片层孔壁内的孔，其孔径范围主要集中于1～10nm，这部分孔的参数主要取决于碳材料制备过程中所采用的碳源，所述的碳片层厚度为2～50nm。碳片层其表面还可原位掺杂催化组分，包括N、B、O、Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Pt、Pd、Au、Ir、Ru、Nb、Y、Rh、Cr、Zr、Ce、Ti、Mo、Mn、Zn、W、Sn、La及V的一种或二种以上，采用X射线光电子能谱检测，检测范围内催化组分占检测范围所有元素的物质的量比例为0.1～10%。将该材料用于制备锂-亚硫酰氯电池正极，正极材料组成成份包括碳材料和粘结剂，其中碳材料质量含量为70%～95%；所述的粘结剂为，聚四氟乙烯，聚乙烯醇，聚偏氟乙烯，羧甲基纤维素钠，聚烯烃，丁苯橡胶，氟化橡胶，聚氨酯中的一种或多种。

该碳材料制备主要采用模板法实现，也可与金属盐催化活化或发泡法结合。具体过程如下：

将碳前驱物和模板溶于去离子水或有机溶剂中，水浴加热40～85℃并机械搅拌，待水分或有机溶剂完全蒸发后在60～80℃干燥；干燥后的产品进行碳化，碳化气体为N₂或/和Ar，碳化温度范围在500～1700℃，优选范围为600～1100℃，碳化时间控制在1～8h，得到模板/碳复合物，用酸或碱溶液去除模板，经过滤、干燥，即得多孔碳材料。

其中所述碳前驱物包括以下中的一种或二种以上：

（1）低分子的糖类，包括蔗糖、淀粉、麦芽糖、葡萄糖、木糖或糠醇；