制备多孔碳材料的方法与流程

本发明涉及一种制备多孔碳材料的方法。特别地，本发明涉及一种制备具有受控粒度的多孔碳材料的方法。更特别地，本发明涉及一种包含多孔碳材料的硫碳复合材料和包含其的锂硫电池。本技术要求在韩国于2022年11月25日提交的韩国专利申请第10-2022-0159965号、于2022年12月23日提交的韩国专利申请第10-2022-0183586号、于2022年12月23日提交的韩国专利申请第10-2022-0183771号、于2022年12月27日提交的韩国专利申请第10-2022-0185613号、于2023年5月16日提交的韩国专利申请第10-2023-0063394号、于2023年5月31日提交的韩国专利申请第10-2023-0070299号、于2023年6月7日提交的韩国专利申请第10-2023-0073163号和于2023年6月13日提交的韩国专利申请第10-2023-0075765号的优先权，所述专利申请的公开内容通过引用并入本文中。

背景技术：

1、近年来，对储能技术的兴趣日益增加。随着应用范围扩展到移动电话、摄像机、膝上型电脑和电动车辆，对电化学装置的研究和开发正在进行越来越多的尝试。

2、在这方面，在最受关注的电化学装置领域，可再充电二次电池的开发是关注的焦点。近来，在电池的开发中，为了改善容量密度和能量效率，已经对新型电极和电池设计进行了研究和开发。

3、在目前使用的二次电池中，20世纪90年代初开发的锂二次电池由于比使用水性电解液的传统电池如ni-mh、ni-cd和硫酸铅电池更高的工作电压和能量密度而备受关注。

4、特别地，锂硫(li-s)电池是使用具有s-s(硫-硫)键的硫类材料作为正极活性材料并且使用锂金属作为负极活性材料的二次电池。作为正极活性材料的主要材料的硫储量丰富且无毒，并且原子量低。此外，与目前正在研究的其它电池体系(ni-mh电池：450wh/kg，li-fes电池：480wh/kg，li-mno2电池：1,000wh/kg，na-s电池：800wh/kg)相比，锂硫电池具有1675mah/g硫的理论放电容量和2,600wh/kg的理论能量密度，并且是迄今为止开发的电池中最有前景的电池。

5、在锂硫电池的放电期间，在负极处发生锂的氧化反应，并且在正极处发生硫的还原反应。硫在放电前具有环状s8结构，在还原反应(放电)期间，s-s键断裂，并且s的氧化数减少。在氧化反应(充电)期间，s-s键再次形成，并且s的氧化数增加。通过这种氧化-还原反应，产生并储存电能。在该反应期间，硫通过还原反应从环状s8转化为具有线状结构的多硫化锂(li2sx，1≤x≤8)。当多硫化锂被完全还原时，最终生成硫化锂(li2s)。通过还原为多硫化锂，与锂离子电池不同，锂硫电池表现出以阶梯式放电电压为特征的放电行为。

6、为了实现具有商业储备水平的能量密度和寿命特性的锂硫电池，已经提出了各种技术以改善正极活性材料(即，硫碳复合材料)的电化学反应性和稳定性。

7、为了改善锂硫电池的性能，需要使正极活性材料的反应性最大化。因为用作锂硫电池的正极活性材料的硫是不导电的，所以使用碳材料作为载体以使反应性最大化。通常使用其中将碳材料与硫混合的硫碳复合材料。

8、然而，当使用比表面积大且孔隙率高的碳材料作为硫载体时，碳材料的粒度对锂硫电池的放电容量和能量密度影响极大，从而控制碳材料的粒度至关重要，并且粒度分布窄是有利的。

9、通常，使用粉碎碳材料的工艺来控制碳材料的粒度。然而，通过粉碎，尺寸大的粒子和尺寸小的粒子共同存在，导致宽粒度分布。

10、因此，需要一种控制多孔碳材料的粒度以实现窄粒度分布的方法。

技术实现思路

1、技术问题

2、本发明旨在解决上述问题，因此本发明旨在提供一种通过连续工艺控制多孔碳材料的粒度以实现高生产率、窄粒度分布和目标粒度d50的方法。

3、技术方案

4、为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种根据如下实施方案的制备具有受控粒度的多孔碳材料的方法。

5、根据第一实施方案的制备具有受控粒度的多孔碳材料的方法包括如下步骤：

6、(1)使用离心磨机来研磨多孔碳材料；和

7、(2)通过筛将步骤(1)中获得的研磨后的多孔碳材料过筛，以获得具有受控粒度的多孔碳材料，

8、其中，筛的网眼尺寸为具有受控粒度的多孔碳材料的粒度d50的2.8至4倍。

9、根据第二实施方案，在第一实施方案中，步骤(1)可以使用离心磨机以30至125rad/s的角速度来进行。

10、根据第三实施方案，在第一或第二实施方案中，步骤(2)可以利用施加至研磨后的多孔碳材料的离心力来进行。

11、根据第四实施方案，在第一至第三实施方案中的任一项中，制备多孔碳材料的方法在步骤(2)之后可以进一步包括如下步骤：

12、(3)收集通过筛的多孔碳材料。

13、根据第五实施方案，在第一至第四实施方案中的任一项中，离心磨机可以包含多个旋转齿。

14、根据第六实施方案，在第一至第五实施方案中的任一项中，多个旋转齿各自可以具有三棱柱的形状，并且可以布置为面向离心磨机的旋转轴。

15、根据第七实施方案，在第一至第六实施方案中的任一项中，离心磨机可以包含设置在多个旋转齿周围的圆筒形筛。

16、根据第八实施方案，在第一至第七实施方案中的任一项中，多个旋转齿与筛之间的最短距离可以为0.5至2mm。

17、根据第九实施方案，在第一至第八实施方案中的任一项中，多孔碳材料可以包含选自碳纳米管、炭黑、碳纳米纤维、石墨烯、石墨和活性炭中的至少一种。

18、根据第十实施方案，在第一至第九实施方案中的任一项中，具有受控粒度的多孔碳材料可以具有7以下的宽度因子(bf)，其中，宽度因子(bf)满足如下公式1：

19、[公式1]

20、宽度因子(bf)＝(具有受控粒度的多孔碳材料的粒度d90)/(具有受控粒度的多孔碳材料的粒度d10)。

21、根据第十一实施方案，在第一至第十实施方案中的任一项中，具有受控粒度的多孔碳材料的d10至d50标准偏差可以为1.5μm以下。

22、根据第十二实施方案，在第一至第十一实施方案中的任一项中，具有受控粒度的多孔碳材料的粒度d50可以为100μm以下。

23、根据第十三实施方案，在第一至第十二实施方案中的任一项中，在步骤(1)中的研磨之前多孔碳材料的振实密度可以等于或大于在步骤(2)中获得的具有受控粒度的多孔碳材料的振实密度。

24、根据第十四实施方案，在第一至第十三实施方案中的任一项中，步骤(1)和(2)可以同时进行。

25、根据本发明的另一个方面，提供如下实施方案的多孔碳材料、硫碳复合材料和锂硫电池。

26、根据第十五实施方案的多孔碳材料根据第一至第十四实施方案中的任一项来制备，并且具有角状粒子形状。

27、根据第十六实施方案的硫碳复合材料包含：

28、根据第一至第十四实施方案中的任一项所制备的多孔碳材料；和

29、硫类材料，所述硫类材料负载到多孔碳材料的表面的至少一部分上。

30、根据第十七实施方案的锂硫电池包含：

31、正极，所述正极包含根据第十六实施方案的硫碳复合材料；

32、负极；

33、隔膜，所述隔膜介于正极与负极之间；和

34、电解质。

35、有益效果

36、根据本发明的控制多孔碳材料的粒度的方法，可以制备具有目标粒度的多孔碳材料，并且提供具有窄粒度分布的多孔碳材料。此外，因为该方法通过连续工艺来进行，所以可以连续地制备具有受控粒度的多孔碳材料，并且短的工艺时间确保了经济效率和高生产率。

37、此外，使用根据本发明的具有受控粒度的多孔碳材料来负载作为锂硫电池的活性材料的硫(s8)，可以提高硫的利用率，由此改善锂硫电池的电化学性能，但是本发明的效果不限于此。