[发明专利]一种单原子硫-碳复合物的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种单原子硫‑碳复合物的制备方法，包括：将酚醛树脂类聚合物空心球与硫粉混合均匀，在惰性气氛条件下进行热处理，获得高硫含量的单原子硫‑碳复合物；作为钾离子电池负极材料，该复合物具有高比容量，高倍率和高稳定性的电池性能。本申请提供的一种单原子硫‑碳复合物的制备方法及其应用，制备方法过程简单温和、制备效率高；作为钾离子电池负极材料，所获得的单原子硫‑碳复合物可以有效克服传统钾离子电池负极材料比容量低，电极动力学差，体积膨胀严重等现存难题。

技术领域

本发明涉钾离子电池领域，尤其涉及一种高比容量、高稳定性的单原子硫碳复合物钾离子电池负极材料及其制备和应用。

背景技术

现有电池技术中，锂离子电池被广泛应用于各个领域，但是自然界的锂资源有限(锂仅占地壳元素总量的0.0017wt％)，并且资源分布失衡(主要分布在南美)，因此，发展资源丰富、成本低廉的新型二次金属离子电池技术十分必要。作为一种新兴电化学储能器件，钾离子电池具有如下优势：(1)钾元素在地壳中储量丰富，使得钾离子电池有望成为锂离子电池的替代品，(2)K/K⁺具有较低的氧化还原电位，有助于构建高比能量密度的电池体系；(3)K⁺较小的溶剂化半径，有助于在电解液中的快速转移。(4)钾离子电池负极能够使用相比铜密度和价格都更低的铝集流体。然而，钾离子的离子半径较大，嵌入负极材料会引起较大的体积膨胀，同时其转移的动力学较差，从而造成比容量较低、倍率性能差和循环稳定性差，这严重阻碍了钾离子电池的进一步发展。因此，开发具有高比容量、高倍率和高稳定性的钾离子电池材料对推动钾离子电池技术的发展具有十分重要的意义。

硫材料在地壳中含量丰富、开采容易，对环境无污染，硫作为电极材料应用于碱金属离子电池中具有较高的理论比容量，例如，其储钾时理论上可以形成KS₂获得1675mAh/g，因此受到了研究者的广泛关注。但在目前的研究当中，环状S₈分子作为储钾电极应用时还存在着严重的穿梭效应、动力学差、体积膨胀严重等问题，且由于其的储钾电位较高而通常被用做正极材料。为了充分利用硫材料的优势，现有技术包括对硫分子结构进行调控如制备短链硫(-C-S_x-C-,x＝2～4)或小硫分子(S_x,x＝2～4)，广泛采取制备策略包括使用多孔材料对硫进行物理限域、将硫作为掺杂剂掺杂于碳材料中、将硫链共价键合于碳材料骨架中、使用微孔材料对小分子硫进行限域、将硫共价键合于有机物中等。无论直接使用S₈电极或者短链硫电极，都存储钾反应动力学差、倍率性能差，循环寿命短等问题，极有必要发展一种新型硫基储钾负极材料，克服上述问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的问题之一。为此，本发明的目的在于提供的一种高硫含量的单原子硫-碳复合物(-C-S_x-C-,x＝1)的制备方法及其应用，制备方法过程简单温和、制备效率高；作为储钾负极材料，所获得的单原子硫-碳复合物可以有效克服传统钾离子电池负极材料比容量低，电极动力学差，体积膨胀严重等难题，从而获得一种高比容量、高倍率性能和高稳定性的钾离子电池负极材料。

为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：一种单原子硫-碳复合物的制备方法，包括：将酚醛树脂类聚合物空心球与硫粉通过手动研磨混合均匀，在惰性气氛条件下进行热处理，获得单原子硫-碳复合物，其中，单原子硫-碳复合物中硫以单原子形式存在。

进一步的，所述单原子硫-碳复合物的化学式为-C-S_x-C-，且x＝1；所述单原子硫-碳复合物中硫的含量为30～40wt％。

进一步的，所述酚醛树脂类聚合物空心球为氨基苯酚聚合物空心球，所述酚醛树脂类聚合物空心球与硫粉的质量比为1:2～1:6；所述热处理的温度为250～600℃，所述热处理的解时间为2-10h。

进一步的，所述氨基苯酚聚合物空心球为3-氨基苯酚-甲醛树脂；所述3-氨基苯酚-甲醛树脂与硫粉的质量比1:3。