[发明专利]一种非石墨化碳和聚吡咯协同包覆硫的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别是涉及一种非石墨化碳和聚吡咯协同包覆硫的制备方法，属于先进复合材料制备工艺技术领域。

背景技术

锂硫电池是一类极具发展前景的高容量储能体系，通常采用硫或含硫化合物作正极。硫是自然界中最为丰富的元素之一，单质硫与金属锂配对，其理论比容量可高达1675毫安时每克，理论能量密度高达2600瓦时每千克，远远超于现阶段所使用的商业化锂离子电池，也是未来二次电池的代表和方向。与其它电池相比，锂硫电池主要优点有：(1)能量密度高；(2)价格便宜；(3)资源丰富，世界硫矿储量丰富；(4)对环境友好，相对于钴等重金属，无毒、无污染；(5)工作温度范围宽，放电平台受温度影响很小，高、低温下操作性能良好；(6)较低的工作电压，提升电池的安全性。尽管锂硫电池具有高比能量、低造价、环境友好等优点，却仍面临着很多挑战性的问题，这些问题最终制约了锂硫电池的商品化：(1)硫和硫化锂在常温下都是典型的电子和离子绝缘体，这使得硫必须和导电物质相结合作为正极，而这样做会降低材料的电化学利用率；(2)“穿梭效应”：中间产物多硫离子的溶解迁移导致严重的穿梭效应，导致电池容量衰减，电极材料的损失以及锂金属的腐蚀；(3)硫和硫化锂存在明显的密度差异，在充放电过程中，材料会产生高达79％的体积变化，从而导致容量的衰减；(4)极片的硫负载量过低，面积比容量过低。上述的这些问题最终都将导致锂硫电池活性物质利用率降低，导电性能差，循环性能不稳定，能否改善并解决这些问题是关乎锂硫电池未来发展的关键所在。

锂硫电池正极材料是决定锂硫电池电化学性能的关键性因素，要求正极材料具有良好的导电性并且在充放电循环过程中能够保持结构的稳定。针对硫正极的导电性差和多硫化物溶解的问题，通常使用的正极改性策略主要有：(1)加入导电剂，增强电极导电性；(2)构筑骨架结构、包覆层等抑制多硫化物溶出；(3)加入多硫化物的吸附剂，将多硫化物吸附在正极；(4)“造孔”以提供电解液和锂离子的通道，缓冲充放电过程中引起的体积变化。根据所用的材料不同，硫正极改性方法可分为四类：(1)与碳骨架复合，包括有序/无序介孔碳骨架，从零维到三维，如球形碳壳、碳纤维、石墨烯和碳气凝胶等；(2)有机聚合物包覆改性，例如有机导电聚合物，如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等；(3)金属氧化物包覆改性，如二氧化钛等；(4)与多硫化物吸附骨架复合。如在现有技术““Core@shell sulfur@polypyrrole nanoparticles sandwiched in graphene sheets as cathode for lithium-sulfur batteries”,Xiangyang Zhou et al.,Journal of Energy Chemistry 24(2015)448-455”中提到“聚吡咯包覆硫后与石墨烯复合的放电比容量得到显著提高，在335毫安每克电流密度下循环200圈后能够提供537.8毫安时每克的放电比容量”，然而放电比容量还有待于进一步提高。如在现有技术““Synthesis of hierarchical porous sulfur/polypyrrole/multiwalled carbon nanotube composite cathode for lithium batteries”,Yongguang Zhang et al.,Electrochimica Acta 143(2014)49-55”中提到硫/聚吡咯/多壁纳米碳管复合材料中聚吡咯作为具有导电性的连接剂，使硫和多壁纳米碳管基底连接起来，减少了多硫化物的溶解，电化学性能得到了显著的提升。公开号为CN104779376A的中国专利中提到微孔碳包覆的碳/硫复合材料中微孔碳包覆层与碳硫复合材料之间形成类似“化学键”作用，使其结合紧密，更好的抑制硫及放电产物溶于电解液，提高了硫的利用率，进而提高了锂硫电池的循环稳定性，然而容量保持率还有待于进一步提高。目前，解决硫正极材料的循环稳定性和提高其放电比容量是需要解决的技术难题，本发明针对这一问题，提出以非石墨化碳作为导电改性相、聚吡咯作为包覆相，以此增强非石墨化碳/硫/聚吡咯复合材料的循环稳定性和放电比容量。

发明内容