[发明专利]一种NiPC@CNTs/S复合材料的制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于化学电源领域，涉及一种锂硫电池正极活性物质的制备方法与应用。

背景技术

现阶段商业化的锂离子电池正负极材料主要是基于嵌入反应，质量比能量较低，使得锂离子电池的能量密度难以突破300Wh/kg。高能量密度与价格低廉的正极材料使得锂硫电池成为一种极具潜力的下一代电池。锂硫电池以硫为正极活性物质，理论比容量高达1675mAh/g，而负极则直接以金属锂为活性物质，故锂硫电池的理论能量密度高达2600Wh/kg，而目前已经有超过400Wh/kg锂硫电池组的报道，但是电池的循环性能仍需进一步提升。当前锂硫电池仍存在一些问题：一是单质硫为绝缘体，不能直接作为电极材料；二是其中间产物可溶于电解液，这会造成对电池影响严重的“穿梭效应”，导致电池的充电效率极低。

为解决导电性问题与中间产物多硫离子易溶解于电解液的问题，研究者们进行了大量的实验，设计了众多的方案：1）使用聚苯胺、聚吡咯等有机导电高分子材料包覆正极活性物质，这有利于提升电极导电性和降低多硫离子得溶解，也有利于提升正极材料的倍率性能。2）使用微孔碳材料，由于微孔碳材料的孔道较细，硫在碳的孔道内受到的吸附力更强，因而多硫化锂难以溶解在电解液中。3）使用二氧化硅增强对多硫离子的吸附，在制备的碳材料里面夹杂多孔二氧化硅，或者在硫碳复合材料外面包覆纳米二氧化硅可以有效的增强对多硫离子的吸附。

发明内容

针对目前锂硫电池中单质硫不导电，同时正极活性物质中间产物多硫化锂易溶解于电解液而导致电池循环性能差、库伦效率低等缺陷，本发明提供了一种电化学综合性能良好的NiPCCNTs/S复合材料的制备方法与应用。使用该方法制备的锂硫电池正极活性物质具有较好的导电性和电化学稳定性，对多硫离子的具有较强的吸附能力，利于提高锂硫电池的库伦效率与循环稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种NiPCCNTs/S的制备方法，具体步骤如下：

一、将镍盐溶解于溶剂中得到0.001～0.2mol/L的溶液，同时将2-甲基咪唑溶解于溶剂中得到0.005～2mol/L的溶液，待完全溶解后，将两溶液以镍离子与2-甲基咪唑以摩尔比1：0.1～100的比例混合均匀，搁置0.5～100小时后过滤、清洗、烘干，得到含有金属镍离子的金属有机框架。

二、将金属有机框架在保护气中高温热解，一步得到NiPCCNTs，控制热解温度在500～1500℃之间，热解时间在0.5～30小时之间。其中，镍离子的热解的过程中还原为金属镍，而金属镍同时又生长碳纳米管的催化剂。

三、将NiPCCNTs与单质硫以2～6:4～8的质量比混合，加热至120～158℃，保持2～48小时，冷却得到NiPCCNTs/S复合材料，Ni代表金属镍；PC代表多孔碳；CNTs代表碳纳米管；S代表硫元素。

上述NiPCCNTs复合材料可用于锂硫电池的正极材料。

本发明中，溶剂可以是水、乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺、N甲基甲酰胺中的一种或多种。

本发明中，保护气可以是氮气、氩气、氦气、氢气中的一种或多种。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

1、一步热解同时得到含有金属镍、多孔碳以及碳纳米管的NiPCCNTs材料。

2、将NiPCCNTs应用于锂硫电池中，有研究表明金属镍有利于提升锂硫电池正极材料的性能（BabuG.，AbabtainK,etal.ElectrocatalysisofLithiumPolysulfides:CurrentCollectorsasElectrodesinLi/SBatteryConfiguration[J].ScientificReports,2015,5，8763），同时碳纳米管可以改善正极材料的导电性能，提升材料倍率性能；而多孔碳由于其孔体积较大，可以负载较高含量的单质硫。

3、该合成工艺简单、可以批量化生产。

4、本发明所得的正极材料因在多孔碳表面原位生长有碳纳米管，故其导电性良好，倍率性能优异；同时金属镍与放电中间产物有较强的相互作用，能有效的缓减充放电中间产物的溶解，提升锂硫电池的库伦效率与循环稳定性。

附图说明

图1为实施例1所得NiPCCNTs的扫描电子显微镜照片；

图2为实施例1所得NiPCCNTs/S复合材料在1C时的循环稳定性曲线；

图3为实施例2所得NiPCCNTs的扫描电子显微镜照片；