[发明专利]一种富氮蛋壳型的锂硫电池正极材料、制备方法及其应用

权利要求书

1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，锂硫电池的正极材料为富氮蛋壳结构，蛋核为硫单质，外壳为SiO2为模板制成的直径为100～300nm、厚度为50～100nm的富氮中空碳壳，富氮中空碳壳与蛋核之间有内部空隙；

所述的富氮中空碳壳表面含有直径为10～50nm的介孔，所述的内部空隙的体积占球壳内部空间总体积的15～50％；

锂硫电池正极材料的制备方法具体包括以下步骤：

第一步，制备三聚氰胺甲醛树脂预聚体A

室温下，将三聚氰胺、甲醛和去离子水按1g:1.78～3.55ml:10ml的比例加入容器内，搅拌混合均匀后加入三乙醇胺，控制PH在8～9，升温至75℃后继续反应10～20min,过滤，洗涤，干燥后得到三聚氰胺甲醛树脂预聚体A；

第二步，制备三聚氰胺甲醛树脂与SiO₂复合的核壳结构

室温下，将二氧化硅和去离子水加入容器内，搅拌后超声波处理，向容器内加入三聚氰胺甲醛树脂预聚体A，充分搅拌后用酸溶液调节pH＝5～6，升温至60～70℃继续反应1～2h，冷却至室温后过滤，洗涤，干燥得到三聚氰胺甲醛树脂包覆二氧化硅的核壳结构B；所述的三聚氰胺甲醛树脂预聚物A与二氧化硅的质量比为1：2～6；

第三步，制备富氮中空碳壳

将核壳结构B在惰性的气体保护下，以3℃min^-1的升温速率从室温升至600～800℃后碳化处理2～4h得到碳化产物，将碳化产物用5～10M的NaOH高温刻蚀6～10h,去离子水洗涤至PH值不变，过滤，干燥得到中空的富氮中空碳壳C；

第四步，制备富氮中空碳壳C和硫复合的蛋壳结构的正极材料

将升华硫和富氮中空碳壳C按1：1～4的质量比混合均匀，密封于安瓿瓶中，真空条件下，在155～160℃热处理10h～12h，大部分熔融硫浸渍到中空的三聚氰胺甲醛树脂碳壳中；再升温至300～350℃下热处理2～3h，残留在三聚氰胺甲醛树脂碳壳外表面的硫挥发的同时，浸渍到碳壳中的硫挥发一部分形成内部空隙，剩余的硫形成蛋核，最终得到锂硫电池正极材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第二步中所述的酸溶液为醋酸、盐酸、硝酸或铬酸；所述的二氧化硅尺寸为50～200nm；超声波处理时间为30～60min。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，第三步中所述的高温刻蚀温度为80～150℃；所述的惰性的气体为氮气或氩气。

4.一种采用权利要求1或2所述的锂硫电池正极材料制备锂硫电池正极的方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，将正极材料、导电剂和粘结剂按质量比70wt％～85wt％：10wt％～20wt％：10wt％～20wt％称取；

第二步，将正极材料和导电剂混合均匀并研磨得到混合物；

第三步，将粘结剂溶于有机溶剂中，粘结剂完全溶解后粘结剂的浓度为0.02mg/mL，将粘结剂溶液导入第二步中的混合物中混成均匀得到浆料；

第四步，利用涂覆仪将浆料均匀涂布在铝箔上，将铝箔固定在平整的玻璃板之后，放入真空干燥箱中，烘干后冲成直径为12mm的圆形正极片，得到锂硫电池正极。

5.一种采用权利要求3所述的锂硫电池正极材料制备锂硫电池正极的方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，将正极材料、导电剂和粘结剂按质量比70wt％～85wt％：10wt％～20wt％：10wt％～20wt％称取；

第二步，将正极材料和导电剂混合均匀并研磨得到混合物；

第三步，将粘结剂溶于有机溶剂中，粘结剂完全溶解后，将粘结剂溶液导入第二步中的混合物中混成均匀得到浆料；

第四步，利用涂覆仪将浆料均匀涂布在铝箔上，将铝箔固定在平整的玻璃板之后，放入真空干燥箱中，烘干后冲成直径为12mm的圆形正极片，得到锂硫电池正极。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，第一步中所述的导电剂为导电炭黑；所述的粘结剂为聚偏氟乙烯PVDF、聚氧乙烯PEO或明胶；第三步中所述的有机溶剂为NMP、DMSO、DMF或THF。