[发明专利]核壳结构的材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种核壳结构的材料、其制备方法及应用。所述核壳结构的材料包括包含单质硫的核以及包覆所述核的壳层，所述壳层包含含硫有机物，所述含硫有机物能够与选定物质反应而在所述壳层上形成原位包覆层，所述选定物质选自能够与所述含硫有机物发生亲核或者亲电反应的物质。本发明的核壳结构的材料可以用作锂硫电池正极材料，且其制备工艺简便，效率高，条件温和，设备简单，适合大规模工业化应用。本发明的核壳结构的材料中含硫有机物能与锂硫电解液添加剂发生化学反应，并生成原位包覆层，从而抑制多硫离子的溶出和穿梭。基于本发明核壳结构材料的锂硫电池具有较高的放电容量以及优异的循环稳定性能。

技术领域

本发明具体涉及一种核壳结构的有机硫包覆单质硫的复合材料、其制备方法以及在锂硫电池中的应用，属于电化学技术领域。

背景技术

随着传统资源和能源日益紧缺、环境问题日趋严重，开发新的能源储存及转换技术已经成为各国的能源战略重点。其中，锂硫电池是极具发展潜力和应用前景的高能量密度二次电池。它以硫做为主要正极活性物质，具有高比容量(1675mAh/g)和高能量密度(2600Wh/kg)，实际能量密度也已经能达到400Wh/kg，同时硫具有廉价而无毒的特点，因此锂硫电池正日益受到关注。

但是由于单质硫的放电行为是固-液-固的过程，其中间态的多硫离子是可溶于电解液的，在循环的过程中会溶出正极材料，继而由于浓度差的存在其会到达负极去得电子并生成固体产物，而这些固体产物在后续的充电过程中又会回到正极，如此来回形成穿梭效应，会造成电池循环性能差、库伦效率低等不良影响。因而，如何抑制多硫离子的溶出和穿梭效应就成为了问题。

目前，业界一般都是在正极材料表面进行包覆，由于包覆层的存在可以降低多硫离子的溶出速率，从而减缓穿梭效应。比如，已成功实施的案例包括：杨源等采用超声包覆制备出PEDOT:PSS包裹的碳硫正极材料，该方法是将碳硫材料分散在含有聚合物的溶液中，长时间超声，然后去除溶剂，得到表面有大约10nm聚合物包覆的碳硫材料，方法简单有效，成品纯度很高，但成本高，重复性差；黄云辉等利用水热法在介孔碳硫材料表面生长微孔级别的碳包覆层，进一步限制多硫离子的溶出。但是此方法的条件苛刻，工艺复杂；其它的包覆方法也都类似。然而，虽然各样五花八门的包覆策略被成功应用到锂硫电池正极材料制备上，但是这些预先包覆的策略都存在一个逻辑上的矛盾，即电解液进入和多硫离子溶出的矛盾。具体来说，无论采用哪种预先包覆手段，电解液都需要有孔道渗透到正极材料当中，而这些孔道在电池循环的过程中又会为多硫离子溶出提供途径，因此，如何合理的有效的对含硫材料进行表面包覆以防止多硫化物溶出是锂硫电池研究生产中一个关键的工作。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种核壳结构的材料、其制备方法及应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种核壳结构的材料，包含：单质硫的核，以及，包覆所述核的壳层；所述壳层包含含硫有机物，所述含硫有机物能够与选定物质反应而在所述壳层上形成原位包覆层，所述选定物质选自能够与所述含硫有机物发生亲核或者亲电反应的物质。

在一些优选实施方案中，所述核壳结构的材料具有多孔结构，其孔容为0.8～1.0cm³/g，孔径为2～50nm。

在一些优选实施方案中，所述选定物质选自含磷和/或氟的有机化合物。

本发明实施例还提供了一种制备所述核壳结构的材料的方法，包括：将聚合物包覆的核与单质硫混合均匀，再在惰性气体氛围下于300～450℃煅烧3～6h，获得所述核壳结构的材料；其中所述的核包括单质硫。

本发明实施例还提供了前述核壳结构的材料于制备锂硫电池中的用途。

本发明实施例还提供了一种锂硫电池正极材料，包括前述核壳结构的材料。