[发明专利]一种开放性笼状等级孔碳基锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种开放性笼状等级孔碳基锂硫电池正极材料及其制备方法，首先将硅溶胶、多巴胺盐酸盐、稀硫酸以及十二烷基硫酸钠混合溶解于水中依次进行沉积、碳化、HF浸泡、烘干形成具有笼状结构的多孔碳，然后将此多孔碳为载体进行硫填充制备成锂硫电池正极材料。本发明所得等级孔结构具有较高比表面积和丰富的介微孔结构介微孔，且孔孔相连、孔孔贯通，介孔在保证高比例填硫量的同时，可一定程度缓解体积膨胀效应；介孔周围或介孔壁上的的微孔拥有较强吸附能力，能够有效地抑制聚硫化物的散失；此外氮掺杂能够加强聚硫化锂和碳结构之间结合能，极大地减少活性物质损失，有效改善电池的循环性能，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种开放性笼状等级孔碳基锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

随着不可再生化石燃料的逐渐消耗殆尽，以及由此带来的巨大环境污染和温室效应问题的日益突出，人类迫切需要发展新的绿色可再生能源来代替目前的能源供应体系。锂离子电池因为锂离子二次电池因具有工作电压高能量密度大(重量轻)无记忆效、应循环寿命长以及无污染等优点，近年来，已经成为各类电子产品的首选电源，已经控制大部分市场份额。但是随着移动互联网时代的来临，各类各样的电子设备小型化，电动自行车电动汽车大型储能电站进入大规模发展和应用阶段，锂离子电池能量密度已经明显不满足要求了，目前商业化锂离子电池由于正极材料理论比容量偏低，能量密度的提升空间受到极大限制较低的能量密度和功率密度难以满足高新技术产业的发展以及人们对大功率电池和高压储能方面的更高要求。而硫的理论容量为1675mAh/g，比能量为2600Whkg^-1，是目前商用锂离子电池容量的5-10倍，此外硫来源广泛，价格低廉，环境友好，是理想的锂电正极材料。

但是锂硫电池也面临诸多技术难题。首先，单质硫的绝缘性，严重影响电子传导；第二，充放电过程中，一部分中间产物聚硫化锂极易溶于电解液，来回穿梭于正负极，容易与负极锂发生发生副反应，沉积于锂片上，产生“穿梭效应”，使得电池循环稳定性降低。第三，在充放电过程中，正极材料中的环状S₈溶解在电解液中开环变为长链的Li₂S₆，会发生体积膨胀，膨胀率达到80％，会严重破坏正极材料的结构稳定性，影响电池的比容量和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开放性笼状等级孔碳基锂硫电池正极材料，担载高比例的硫的同时，利用等级孔碳材料有效弥补硫的低导电性，在一定程度上缓解体积膨胀效应，另外高效利用微孔的强烈吸附作用以及氮掺杂加强碳与聚硫化锂的结合能，有效抑制聚硫化锂的散失，提高锂硫电池的比容量和循环性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种开放性笼状等级孔碳基锂硫电池正极材料，它为硫单质填充的呈开放性笼状3D等级孔结构氮掺杂碳基复合材料，其中氮原子掺杂在呈开放笼状3D等级孔结构的碳结构中，硫元素填充在碳基材料的孔道结构中，它包括介孔和微孔结构，介孔层层堆积，微孔环绕在介孔壁，介孔和微孔孔孔相连，孔孔贯通，其中介孔孔径在8-20nm，微孔孔径为0.45nm。

上述一种开放性笼状等级孔碳基锂硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将硅溶胶、多巴胺盐酸盐、稀硫酸混合于水中，然后加入十二烷基硫酸钠(SDS)，超声溶解混合均匀，得混合原料；

2)将步骤1)所得的混合原料进行烘干得固体混合物；

3)将步骤2)所得固体混合物在氩气氛围下进行碳化，除去SDS，然后加入HF溶液进行酸化，搅拌除去SiO₂得开放性笼状等级孔碳材料；

4)将所得开放性笼状等级孔碳材料烘干后与硫单质研磨混合均匀，然后置于高温反应釜中，加热进行保温反应(硫填充)；

5)将步骤4)所得反应产物在氩气氛围下进行吹扫，以期除去多余的硫和孔道表面的硫，即得所述开放性笼状等级孔碳基锂硫电池正极材料。