[发明专利]一种硫/碳复合材料的电解制备方法

说明书

（一）技术领域

本发明涉及一种硫/碳复合材料的制备方法，具体涉及一种硫/碳复合材料的电解制备方法。

（二）背景技术

硫元素的价态丰富，可在-2到+7之间变化，利用Li2S和S之间的可逆变化，以金属锂作为负极，单质硫或硫基复合材料作为正极的锂硫二次电池，具有较高的理论能量密度（2600Wh/kg），被认为是最具发展潜力的新型高容量储备电池体系。此外，锂硫电池还具有原料来源丰富、价格便宜、环境友好、电池安全性好等优点，具有明确广泛的市场应用前景。

尽管如此，作为锂硫二次电池关键材料的硫正极材料仍存在以下几个问题：（1）单质硫在室温下导电性差，需添加大量导电剂，从而导致体系能量密度降低；（2）单质硫在放电过程中会还原成易溶于电解液的多硫化物，致使活性物质流失，并使硫电极材料形貌发生巨大改变；（3）溶于电解液的多硫化物会是电解液粘度增大，同时也会穿梭到对电极金属锂片，发生自放电反应。这些问题严重制约了锂硫二次电池的实际应用。

目前，国内外在硫/碳复合材料方面取得了积极进展，发现将单质硫填充到一些孔状结构碳材料中（如介孔碳、活性炭、石墨烯、碳纳米管等），可有效解决电极充放电过程中出现的活性物质流失、容量衰减快等难题。合成硫/碳复合材料的主要方法是通过加热硫粉，将单质硫扩散、吸附到多孔碳材料的孔隙中，得到硫/碳复合材料。如Yuegang Zhang等（Liwen Ji,Mumin Rao,Haimei Zheng,Liang Zhang,Yuanchang Li,Yuegang Zhang.Graphene Oxide as a Sulfur Immobilizer in High Performance Lithium/Sulfur Cells.J.Am.Chem.Soc.2011,133,18522-18525）将单质硫填充到氧化石墨烯，获得高性能硫基材料；美国的Lynden A.Archer等（N.Jayaprakash,J.Shen,Surya S.Moganty,A.Corona,and L.A.Archer,Porous Hollow Carbon@Sulfur Composites for High-Power Lithium-Sulfur Batteries,Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50:1-6）利用多次气相沉积注入硫的方式制备一种空心球状硫/碳复合材料，其具有较高的循环稳定性和倍率特性。本发明首次采用一种简便的电解法，以石墨棒同时为阳极和碳源、在含硫脲为硫源的硫酸电解质溶液中进行持续电解反应，石墨在发生电解剥离的同时电沉积出单质硫，可一步原位电解制得硫/碳复合材料。

（三）发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单，成本低廉的硫/碳复合材料的电解制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种硫/碳复合材料的电解制备方法，所述制备方法按如下步骤进行：

（1）配置电解液，所述电解液由如下重量百分比的原料混合而成：

（2）以石墨棒为阳极，铂片为阴极，在1～100V的直流电下进行电解反应0.1～10小时；

（3）电解反应产生的沉淀物通过抽滤取滤饼，水洗后干燥，即得硫/碳复合材料。

本发明硫/碳复合材料的电解制备方法步骤（1）中，优选所述硫酸、硫脲和氢氧化钾的纯度为化学纯或高于化学纯；优选所述水为去离子水。

本发明步骤（1）中，优选所述电解液由如下重量百分比的原料混合而成：

本发明步骤（1）中，所述电解液的配制方法为：取配方量的硫酸和水配制成硫酸水溶液，再将配方量的硫脲和氢氧化钾加入到配制好的硫酸水溶液中，混匀即得电解液。

本发明硫/碳复合材料的电解制备方法步骤（2）中，所述石墨棒选自天然石墨棒、人造石墨棒或高纯石墨棒，且优选石墨棒的纯度为化学纯或高于化学纯。

本发明步骤（2）中，优选所述直流电为3～15V的直流电，优选所述电解反应时间为0.5～5小时。

本发明具体推荐所述的硫/碳复合材料按照如下步骤进行制备：

（1）配置电解液，所述电解液由如下重量百分比的原料混合而成：

所述硫酸、硫脲和氢氧化钾的纯度为化学纯或高于化学纯；

电解液的配制方法为：取配方量的硫酸和水配制成硫酸水溶液，再将配方量的硫脲和氢氧化钾加入到配制好的硫酸水溶液中，混匀即得电解液；