[发明专利]一种复合材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用

说明书

本发明涉及一种复合材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用。所述复合材料的制备方法包括如下步骤：(1)将水、硫化钠和升华硫混合，得到混合材料；(2)将多孔碳纳米纤维与溶剂混合，得到多孔碳纳米纤维分散物；(3)将所述混合材料、多孔碳纳米纤维分散物、表面活性剂与酸溶液混合，得到沉淀物；(4)将所述沉淀物置于密闭容器中进行热处理，得到复合材料。本发明使用化学沉积法结合加热升华法能够避免单一使用化学沉积法或加热升华法制备纳米硫/多孔碳复合材料的一些弊端，做到两种方法优劣互补的作用；同时该方法具有工艺成熟，操作简单易于大规模生产的优点，最终实现纳米多孔碳/硫复合材料的高附加值利用。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种复合材料、其制备方法和在锂离子电池中的应用。

背景技术

锂离子电池作为新一代清洁能源，具有输出电压高、能量密度大、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、可快速充放电和绿色环保等优点，被广泛地应用于各个领域。锂离子电池产业链经过近二十年的发展已经形成了一个专业化程度高、分工明晰的产业链体系。

锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池。其具有高能量密度、髙理论容量、原料丰富、成本低等优点，可广泛用于航空及新能源汽车等领域，是高能新型电池的主要研究方向之一。因此探寻一条制备单质硫/碳复合正极材料工艺十分迫切。

单质硫/碳复合正极材料的主要制备方法有：机械球磨法、加热升华法和化学沉淀法，机械球磨法制备材料工艺简单，可将单质硫破碎至亚微米尺度，并均匀分散在导电碳中，但是制备的电极材料颗粒较大，并且碳与硫之间接触的紧密程度不够，硫或其生成物容易从碳的导电网络上脱落，致使电池充放电性能较差，从而使复合材料的循环性能较差。加热升华法工艺简单，能制备纳米硫/碳复合电极材料，使硫纳米化进入纳米碳孔中，硫碳紧密结合，有利于提高硫的利用率和反应活性，并且有效阻止反应过程中生成的中间产物聚多硫化物在电解液中的溶解，从而提高锂硫电池的容量保持率，是目前制备单质硫/碳复合材料的最主要方法之一，但是这种方法也存在载硫量难控制的问题，因为硫的含量与加热温度、加热时间和碳材料的孔结构都有很大的关系。化学沉积法是先将碳材料均匀分散于溶液中，再利用沉淀反应在碳材料表面或多孔结构中均匀沉积硫。该方法制备的复合材料，硫紧密包覆在碳表面形成核壳结构的复合材料，硫层均匀、厚度可调，颗粒与颗粒之间不粘连。但这种方法在纳米多孔碳中沉积纳米硫，比较容易在碳纳米材料表面形成一薄层纳米硫，会使多孔碳里面的纳米硫由于碳表面形成的纳米硫层而很难发挥作用。

CN110299537A公开了一种长循环锂离子电池用硫掺杂生物质多孔碳纳米电极材料的制备工艺。所述方法包括如下步骤：将生物质渣类废弃物用稀硫酸和酒精依次清洗干净，干燥后球磨得到粉状A；向粉状A中加入硫酸溶液，并搅拌得到B；将B转移至水热感应釜内，并加入铜箔作为感应源，将水热感应釜移入水热感应加热设备中反应，然后冷却到室温，取出铜箔，将所得产物刮下经去离子水和乙醇清洗抽滤后，烘干得C；将C、活化剂和硫源混合研磨得到D；将粉状D在保护气氛下，以10℃/min的升温速率升至350℃，保温1h，再以3℃/min的升温速率升至500～700℃并保温1～2h，冷却至室温，所得产物经稀硫酸和乙醇清洗离心后，烘干，即得到硫掺杂生物质多孔碳纳米材料。所述方法制备过程复杂，无法工业化生产。

CN108232163A公开了一种锂离子电池正极材料及其制备方法。所述的正极材料为一种碳-硫纳米粒-石墨烯/多孔碳膜，其利用多孔碳与硫形成碳-硫纳米粒，将碳-硫纳米粒负载至双层石墨烯膜，形成复合膜(CSG)，复合膜再覆盖一层由石墨烯片和多孔碳形成的“皮肤”，形成碳-硫纳米粒-石墨烯/多孔碳膜(CSG/PC)。但是其制备过程复杂，难以稳定生产，且成本较高。

因此，本领域需要开发一种新型锂离子电极正极材料，其具有优异且稳定的循环性能和电化学性能，且制备过程简单，易于工业化生产。

发明内容