[发明专利]褶皱状的硫-大米碳/碳化钛复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种褶皱状的硫‑大米碳/碳化钛复合材料及其制备方法和作为锂硫电池正极材料的应用。通过瞬时膨化法得到具有三维多孔结构的大米碳材料，以此为载体，通过高温固相反应向大米碳中引入导电极性材料碳化钛，随后熔融扩散法渗硫得到碳硫复合材料作为优异的锂硫电池正极材料。本发明硫‑大米碳/碳化钛复合材料兼具三维多孔结构及褶皱状的微观形貌，拥有出色的固硫效果和较高的电子传导率，对多硫化物的“穿梭效应”具有“物理吸附”和“化学结合”两种机制的协同作用，从而有效了锂硫电池的电化学性能。

技术领域

本方法涉及一种新型锂硫电池正极材料，具体涉及一种褶皱状的硫-大米碳/碳化钛三维多孔复合材料及其制备方法以及作为锂硫电池正极材料的应用。

背景技术

储能技术，是广泛、清洁和高效使用能源的必经之路。锂硫电池由于其较高的理论比容量(1675mA h g^-1)和理论能量密度(2600W h kg^-1)，以及硫在地壳中丰度高、成本低、无毒无害无污染等巨大优势，被认为是新一代极具开发前景的二次电池，成为了优于传统锂离子电池的高能量密度电化学系统的候选者之一。但是，硫单质的绝缘性、循环过程中多硫化物的穿梭效应、电极材料的体积膨胀以及锂金属枝晶生长等等技术难题带来的放电容量低、库伦效率低、快速容量衰减及安全性问题，给锂硫电池的实际应用带来了巨大的困扰。因此，在锂硫电池中，通常将硫和其他导电载体材料复合，利用载体的导电性、载体作为物理阻隔层产生的物理吸附作用或极性载体材料表面的化学吸附作用来抑制多硫化物的“穿梭效应”，达到固硫、提高比容量和改善循环稳定性的目的。

多孔碳材料凭借其巨大的表面积和丰富的孔结构可以有效提高硫的负载率，适应充放电过程中活性物质的体积膨胀；同时碳材料本身有很强的导电性及结构稳定等特点，有利于锂离子更好地传输；另外，碳的来源广泛，许多生物质碳材料具有天然的分级结构，良好的碳化方法可将这些生物材料转化为多孔碳材料。这些优势都使得多孔碳材料成为了硫的理想载体材料。然而，碳是一种非极性材料，这使得碳基材料不能捕获极性的多硫化物。此外，碳和多硫化物之间的亲和力较差也阻碍了界面电荷的有效转移，并且减缓了反应动力学。

与非极性碳相比，极性的宿主材料有很强的活性，大量的表面活性位点，这些特点使这类材料具有化学吸附性质，可以吸附易穿梭的多硫化物以及硫化锂等物质，从而显著缓解“穿梭效应”。由于钛基化合物具有低成本、环境友好和对多硫化物理想的化学吸附性等特点，得到研究人员大量的研究。而碳化钛作为钛基化合物中的最常见的材料之一，也是一种导电极性材料，在促使多硫化物在电解液中的液相转变，以及液态多硫化物转变成硫化锂固态沉淀的过程中，显示出比非极性碳更强的活性。

大米碳/碳化钛复合材料是以大米作为碳源，通过简便易得的“瞬时膨化”方法得到三维多孔结构，并在此基础上，通过高温固相反应引入导电极性材料碳化钛，对多硫化物的“穿梭效应”具有“物理吸附”和“化学结合”两种机制的协同作用，同时拥有出色的固硫和较高的电子传导率，从而有效地提高了锂硫电池的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中的问题，提供了一种硫-大米碳/碳化钛复合材料及其制备方法，通过简单的瞬时膨化法得到三维多孔碳结构，利用高温固相合成法得到具有褶皱状的三维多孔结构的大米碳/碳化钛复合材料，最后通过熔融扩散法渗硫得到硫-大米碳/碳化钛复合材料。该复合材料作为锂硫电池正极材料，对多硫化物的“穿梭效应”具有“物理吸附”和“化学结合”两种机制的协同作用，同时拥有出色的固硫和较高的电子传导率，从而有效地提高了锂硫电池的电化学性能。

一种褶皱状的硫-大米碳/碳化钛复合材料作为优异的锂硫电池正极材料，包括三维多孔结构的大米碳、通过高温固相反应引入的导电极性材料碳化钛以及熔融扩散法进入大米碳中的硫，即包括多个片状交错连接的大米碳片、生长在所述大米碳片上的碳化钛以及熔融扩散到所述大米碳片和碳化钛的硫，呈现褶皱状的微观形貌。