[发明专利]用于锂硫电池正极的介孔氧化硅/硫碳复合物及其制备方法

说明书

用于锂硫电池正极的介孔氧化硅/硫碳复合物的制备方法，它涉及一种纳米复合材料及其制备方法。本发明是为了解决现有方法弱导电性的金属氧化物会提高整体电极的阻抗，不利于快速充放电的技术问题。用于锂硫电池正极的介孔氧化硅/硫碳复合物由介孔氧化硅、单质硫和碳材料组成，方法：制备氧化硅硫复合物，将氧化硅硫复合物分散于水中，磁力搅拌分散后，加入到浓度为1mg/mL的碳材料的水溶液中，继续搅拌12～48小时，沉淀，离心，洗涤，干燥，即得用于锂硫电池正极的介孔氧化硅/硫碳复合物。在0.1C放电，放电容量最高达到1625mA h g^‑1，经过500圈的循环后容量仍能保持在1000mA h g^‑1左右。

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料及其制备方法，特别涉及一种适用于锂硫电池正极的介孔氧化硅/硫碳复合物及其制备方法。

背景技术

现在世界上大部分的能源需求仍然依赖于石油燃料，但是石油燃料不仅燃烧的热效率非常低，而且会造成环境污染、地球变暖、温室效应等问题。这些问题正是目前各国家关注的焦点，并且各国家都颁布了限制废气排放的相关法规来保护环境。目前交通领域是能源的主要消耗途径，也是造成大气污染的最大起因。虽然现代汽车与传统汽车相比对有毒气体和粉尘微粒的排放量已经大幅度减少，但这种减少是建立在增加能源消耗的基础上的，因此也就增加了燃烧废气的排放。锂离子电池是目前应用最广泛最成功的电池体系。因为它可工作电压大、循环性能好、安全无毒，可大幅度提高能源转化效率、减少排放以降低环境污染，因此既可作为小型的移动电源，也可为航天器、汽车提供可靠的动力电源。目前锂离子电池的实验室比能量虽已达到250Wh·kg^-1，但受正极材料比容量进一步提高的限制，其比能量很难再有较大提高，而且靠提高充电电压来增高比能量的途径将加剧安全问题，因而发展新的电化学储能体系势在必行。对于新材料的开发就成为了关注的重点，Li/S电池就是其中之一。因为锂硫电池具有成本低，环境友好，材料来源充足，理论比容量(1675mAh·g^-1)和比能量(2500Wh·kg^-1)大等优点。可再充Li-S电池具有高的理论比能量密度，是插层反应锂离子电池的3-5倍，Li-S电池的很可能是下一代储能系统的发展方向，尤其对于大规模的应用，具有广阔前景。

虽然Li-S电池有以上诸多优点，但是在实际应用上仍然存在许多限制条件，由于采用金属锂做负极，充电过程中Li+易于在负极表面发生电镀沉积形成枝晶化金属埋，当锂枝晶生长到一定程度，最终穿过隔膜与正极接触而造成电池内部短路，这是造成锂硫电池循环性能差的一个重要原因。Li-S电池正极活性物质单质硫为电子和离子的绝缘体，必须与导电剂密切接触才能完成可逆的电化学反应，但导电剂的加入会增加消极重量，降低电池的能量密度。活性物质硫在导电剂骨架中的分散状态也决定了电化学反应的传质速率和电子传导速率，如果活性物质分散不均匀，将会降低活性物质利用率，从而影响电池的放电容量和循环性能。另外，Li-S电池在充放电过程中由于硫正极具有两个放电平台，高电压平台产物高聚态多硫化锂易溶于电解液，溶解的较高聚态硫离子(S₈^2-、S₆^2-、S₄^2-)能够扩散到负极，直接与金属锂反应，生成较低价态硫离子，再扩散回硫正极，再次生成较高价态硫离子，这就是Li-S电池中特有的飞梭效应。正是由于飞梭效应的存在使得电池具有抗过充电的能力。但同时也正是由于这种效应，较高聚态硫离子扩散到锂负极将会生成不溶产物从而不会再扩散回正极，而是沉积在负极表面，一方面造成了锂负极的性能恶化，另一方面也将造成电池容量的不可逆损失，即循环性能下降。要改善这些问题，可以通过设计新型的具有优异结构的S电极的方法。