[发明专利]一种硼氮共掺杂三维结构锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料合成，特别涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

锂硫电池是以金属锂为负极，单质硫为正极的电池体系。锂硫电池的具有两个放电平台（约为2.4V和2.1V），但其电化学反应机理比较复杂。锂硫电池具有比能量高（2600Wh/kg）、比容量高（1675mAh/g）、成本低等优点，被认为是很有发展前景的新一代电池。但是目前其存在着活性物质利用率低、循环寿命低和安全性差等问题，这严重制约着锂硫电池的发展。造成上述问题的主要原因有以下几个方面：（1）单质硫是电子和离子绝缘体，室温电导率低（5×10^-30S·cm^-1），由于没有离子态的硫存在，因而作为正极材料活化困难；（2）在电极反应过程中产生的高聚态多硫化锂Li₂S_n（8＞n≥4）易溶于电解液中，在正负极之间形成浓度差，在浓度梯度的作用下迁移到负极，高聚态多硫化锂被金属锂还原成低聚态多硫化锂。随着以上反应的进行，低聚态多硫化锂在负极聚集，最终在两电极之间形成浓度差，又迁移到正极被氧化成高聚态多硫化锂。这种现象被称为飞梭效应，降低了硫活性物质的利用率。同时不溶性的Li₂S和Li₂S₂沉积在锂负极表面，更进一步恶化了锂硫电池的性能；（3）反应最终产物Li₂S同样是电子绝缘体，会沉积在硫电极上，而锂离子在固态硫化锂中迁移速度慢，使电化学反应动力学速度变慢；（4）硫和最终产物Li₂S的密度不同，当硫被锂化后体积膨胀大约79%，易导致Li₂S的粉化，引起锂硫电池的安全问题。上述不足制约着锂硫电池的发展，这也是目前锂硫电池研究需要解决的重点问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三维结构锂硫电池正极材料，同该方法制备出三维结构硼氮共掺杂石墨烯，纳米硫颗粒和科琴黑沉积在硼氮共掺杂石墨烯的三维空间结构中，该设计能改善硫电机的导电性，而且能够阻止放电产物多硫化物的溶解。

本发明提供一种三维结构的锂硫电池正极材料的制备工艺流程如下：

（1）将氧化石墨加入到水中超声，形成氧化石墨烯悬浮液；

（2）将质量浓度为25%的氨水加入到氧化石墨烯悬浮液中，再加入硼氢化钠，然后转移到水热釜中进行水热反应，反应完成后乙醇洗、水洗，然后冷冻干燥，得到三维硼氮共掺杂石墨烯；

（3）取步骤（2）得到的三维硼氮共掺杂石墨烯与科琴黑加入到N-甲基吡咯烷酮中超声反应形成悬浮液；

（4）将单质硫加入到N-甲基吡咯烷酮中在一定温度下超声，直到单质硫完全溶解形成悬浮液；

（5）将（4）和（3）得到的两种悬浮液混合，搅拌均匀，然后在搅拌下缓慢的加入蒸馏水，离心、水洗、干燥后得到三维结构的锂硫电池正极材料。

步骤（1）中超声反应时间为10-60分钟，氧化石墨烯悬浮液的浓度为1-10g/L;

步骤（2）中水热反应的温度为160-200℃，反应时间为1-6小时，氧化石墨与氨水的比例为1g：10-50mL，氧化石墨与硼氢化钠的质量比为1:10-30；

步骤（3）中三维硼氮共掺杂石墨烯与科琴黑的质量比为1:0.05-0.5，悬浮液的浓度为1-5g/L；

步骤（4）中单质硫与三维硼氮共掺杂石墨烯和科琴黑总质量和的质量比为10-20:1，超声的反应温度40-50℃，超声时间为直到硫完全溶解,硫悬浮液的浓度为10-15g/L；

步骤（5）中加入的蒸馏水：混合后N-甲基吡咯烷酮溶液的体积比为3-5:1；

本发明具有如下有益效果：（1）该制备方法将氧化石墨还原、硼氮共掺杂同水热反应一步完成，提高反应效率；（2）高电导率的科琴黑和石墨烯材料能有效提高电极片的电导率；（3）在充放电过程中，三维结构的构造有利于锂离子和电子在多维度传导路径中穿梭，提高离子和电子传导率；（4）三维结构中存在的科琴黑，进一步缩短了纳米硫颗粒之间以及纳米硫与石墨烯片层的传导距离，有利于电导率的提高；（5）硼氮共掺杂石墨烯中的氮原子和硼原子的协同作用对硫的吸附，能有效减少飞梭效应，提高锂硫电池的循环寿命。

附图说明

图1是本发明制备的三维硼氮共掺杂石墨烯硫复合材料的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

实施例1