[发明专利]一种硫-霉菌孢子碳球/磷化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硫‑霉菌孢子碳球/磷化物复合材料及其制备方法和作为锂硫电池的正极材料的应用，通过霉菌培养，浸泡法，高温法，反应后生成了霉菌孢子碳球/过渡金属磷化物复合材料，以此为载体，通过渗硫法，反应12～18小时，在霉菌孢子碳球/过渡金属磷化物复合材料中复合单质硫，制备锂硫电池硫‑霉菌孢子碳球/过渡金属磷化物复合电极材料。本发明硫‑霉菌孢子碳球/过渡金属磷化物复合电极材料具有柔性、高比容量，高倍率性能及高循环寿命等优点，在移动通讯、电动汽车、太阳能发电和航空航天等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂硫电池的正极材料领域，具体涉及一种硫-霉菌孢子碳球/磷化物复合材料及其制备方法和作为锂硫电池的正极材料的应用。

背景技术

在过去的几十年里，随着能源、环境问题的日益恶化，人们不断地在寻找与发展可再生的清洁能源。近些年来，以锂离子电池为代表的二次电池由于其巨大的能量密度、长周期寿命、高工作电压和充电/放电效率，一直主导着现代电子产品的电源市场。然而，目前的锂离子电池的体系，其能量密度只能达到在200～250Wh/kg，无法满足日益增长的大容量存储和电力运输领域的需求。发展高效的锂硫电池可有效缓解上述的问题。相比与锂离子电池，锂硫电池具有更大的能量密度(2600Wh/kg)与体积密度(2800Wh/L)。其中，得益于单质硫的高理论容量(1675mAh/g)，环境友好，价格低廉等优点，锂硫电池受到了全世界研究者的广泛关注。然而，硫正极材料同时也存在着一些阻碍其发展的缺陷：由于单质硫的绝缘特性，电极中以其作为主体的活性物质很难被完全的充分利用；锂硫电池在在充放电过程中极易产生易溶于电解质的多硫化物，产生“穿梭效应”，导致容量损失；充放电过程中的体积变化也导致了锂硫电池的循环稳定性能不佳，极大的阻碍了其产业化的道路。因此，必须采取适当的措施来克服这些不利因素。

硫碳复合策略能有效缓解上述问题，这主要得益于碳材料其轻质、高导电性、高比表面积等优良特性。此外，由霉菌所转化的碳材料还拥有异质元素(如氮、磷)掺杂、多层级孔道结构等特点，更有利于电化学反应的进行。研究表明，在硫单质中添加过渡金属磷化物，可有效的抑制多硫化物的溶解和穿梭，这主要是因为过渡金属磷化物，其表面具有更高的电化学活性，能够吸附住电池充放电过程中的中间产物。此外，过渡金属磷化物还具有类贵金属的催化活性，能够加速整体的电化学反应速度。上述的方案结合了多孔碳材料和过渡金属磷化物的双重优点，是构建高性能锂硫电池的有效策略。

发明内容

本发明的目的在于针对目前锂硫电池的电极材料导电性差，反应中间产物易溶解和体积变化等问题，提供了一种硫-霉菌孢子碳球/磷化物复合材料及其制备方法和作为锂硫电池的正极材料的应用，该复合材料兼具有高导电性，抑制多硫化物溶解、缓解体积膨胀、加速反应速率等优势。

一种硫-霉菌孢子碳球/磷化物复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将大米煮熟并放置至环境温度，然后用米曲霉的接种源接种，之后转移至恒温恒湿箱培养，取出后得到米曲霉孢子粉体；

(2)将步骤(1)得到的米曲霉孢子粉体浸泡在过渡金属氯化盐溶液中，浸泡时间为6～18小时，分离烘干后得到霉菌孢子/过渡金属氯化盐复合材料；

(3)将步骤(2)得到的霉菌孢子/过渡金属氯化盐复合材料在氩气中进行高温热处理，加热温度为700～900℃，加热时间为1～3小时，冷却后得到霉菌孢子碳球/过渡金属复合材料；

(4)将步骤(3)得到的霉菌孢子碳球/过渡金属复合材料在磷化氢气体中进行高温处理，加热温度为250-450℃，加热时间为1～2小时，得到霉菌孢子碳球/过渡金属磷化物复合材料；

(5)将步骤(4)中所制得的霉菌孢子碳球/过渡金属磷化物复合材料与硫单质均匀混合，然后置入反应釜中，加热至120～180℃，加热时间为12～18小时，待反应釜冷却后，取出反应产物，得到硫-霉菌孢子碳球/磷化物复合材料。