[发明专利]一种载硫复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种载硫复合正极材料及其制备方法，本发明将含硫悬浊液与载体材料混合后，利用单质硫在溶剂中所经历的“固‑液‑固”相转变过程，使得大颗粒的孤立硫转变为载体表面均匀的硫涂层，随后去除有机溶剂，得到载硫复合正极材料；载体材料包括碳材料。本发明制备过程简单，操作方便，利用单质硫在所选有机溶剂中的溶解‑沉淀平衡性，通过所述碳材料与溶解于有机溶剂中的单质硫之间的强相互作用，使得溶液中的硫不断沉积在载体材料表面，原本未溶解于有机溶剂中的单质硫得以不断溶解于有机溶剂中，进而不断沉积在载硫材料表面，即可得到分布均匀的载硫复合正极材料。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，尤其涉及一种载硫复合正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着社会的发展和电子产品的日益普及，人们对能量存储装置的要求也越来越高，提高储能器件的能量密度、延长使用寿命以及降低材料生产成本成为目前的关键问题。

目前，商用的锂离子电池的正极材料主要包括锰酸锂、钴酸锂和磷酸铁锂等含锂的过渡金属氧化物等，其比容量小于300mAh·g^-1，储电能力严重不足。作为新型储能系统锂硫电池的活性成分，单质硫的理论比容量可高达1675mAh·g^-1，但是单质硫是绝缘体，为了满足导电的要求，多需通过将单质硫与高导电性的物质进行复合，而含硫电极在充放电时形成的中间产物多硫化物可溶于电解质，可在浓度梯度的作用下迁移到负极引起硫的不可逆损失，最终导致含硫电极的储电性能急剧下降。

现有技术采用将单质硫与导电多孔载体复合的方式改善硫电极的电化学性能，提高其储电能力。而目前单质硫与多孔载体复合的常用方法主要有热熔法、原位电沉积和化学沉积法，存在着方法繁琐的弊端，限制着锂硫电池的产业化发展。例如，热熔法先将单质硫与多孔载体材料通过研磨等手段做预混合，然后在惰性气氛的保护下，将混合物在150～160℃下密闭加热12～24h，待温度降至室温，得到多孔载体载硫复合正极材料。但这种方式步骤繁琐、能耗高、时间长难以满足工业化需求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种载硫复合正极材料及其制备方法和应用，本发明提供的方法简单，能够制备得到载硫复合正极材料。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种载硫复合正极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将单质硫与有机溶剂混合，得到含硫悬浊液；所述含硫悬浊液包括硫的饱和溶液和未溶解的单质硫；

(2)将所述步骤(1)得到的含硫悬浊液与载体材料混合后，去除有机溶剂，得到载硫复合正极材料；所述含硫悬浊液与载体材料的混合的时间以混合体系中无未溶解的单质硫为准；

所述载体材料包括碳材料；

所述步骤(1)中用于所述含硫悬浮液配制的单质硫和步骤(2)中载体材料的质量比为(10～85)：(15～90)。

优选的，所述步骤(2)中含硫悬浊液与载体材料混合时，还包括含氧官能团高分子材料的添加。

优选的，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、多孔炭、炭黑和碳纤维中的一种或多种。

优选的，所述步骤(1)中单质硫和有机溶剂的质量比为1：(10～300)。

优选的，所述单质硫包括斜方硫、正交硫、无定形硫、升华硫和纳米硫中的一种或多种。

优选的，所述有机溶剂包括乙醇、乙醚、丙酮、四氢呋喃、二甲苯、乙酸乙酯、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。

优选的，所述步骤(2)中含硫悬浊液与载体材料的混合的时间为5～30min；