[发明专利]一种用于锂硫电池正极的复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种用于锂硫电池正极的复合材料及其制备方法，利用二氨基马来腈和硫在高温下进行预硫化聚合反应，硫八环在高温下开环形成自由基催化氰基三聚形成共价三嗪框架，同时硫以C‑S键的形式固定在聚合物骨架上，随后再进行熔融法将更多的硫负载到共价三嗪框架上。其中氮原子掺杂的共价三嗪框架具有良好的导电性，能有效提高硫正极导电性；稳定的共价三嗪框架结构能缓解充放电过程中硫正极体积膨胀与收缩对正极的破坏；以化学键形式固定在材料内部的硫能有效抑制多硫化锂的穿梭效应。将该复合材料用于锂硫电池时表现出优异的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及化学电源领域，尤其涉及一种用于锂硫电池正极的复合材料及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的快速发展，锂离子电池也从小的便携式设备逐渐应用到大型装置(如电动汽车)中。而传统的锂离子电池已经不能满足人们对高续航化学储能装置的需求。单质硫的理论比容量为1675mAh·g^-1，能量密度高达2600Wh·kg^-1，并且其具有储量丰富，环境友好以及价格低廉等优点。因此，锂硫电池备受研究者的青睐，被认为当前商用锂离子电池的可行替代品之一。

尽管锂硫电池具有如此多的优点，但几个重大的技术障碍是不容忽视的，例如硫及其固体产物(Li₂S₂/Li₂S)的绝缘特性，锂化过程中的大体积膨胀(79％)，更重要的是溶解的多硫化锂(Li₂S_n，4≤n≤8)进入电解液中，导致在充放电过程中产生穿梭效应。一方面，穿梭效应导致硫正极的容量损失和锂硫电池的循环寿命差；另一方面，钝化锂负极，限制了锂硫电池的倍率性能和活性硫的利用率。

为了解决上述问题，需要选择合适的硫载体，该硫载体要实现三个功能：一是为绝缘的单质硫提供导电性，二是为负载硫提供稳定的孔隙结构，三是能抑制可溶性多硫化锂的穿梭效应。近年来，为了提高锂硫电池的电化学性能，研究者们已经开发出了许多策略。其中，最有效的方式之一是通过物理限域或化学键能的方式将硫固定到载体内部。其中，物理限域是通过熔融法将硫扩散到具有高比表面积和孔容的多孔材料内部，例如介孔碳，氧化石墨烯，碳纳米管，导电聚合物，金属有机骨架(MOFs)，共价有机骨架(COFs)和多孔有机聚等。尽管这些复合材料在一定程度上改善了循环性能，但这些材料对硫或多硫化锂束缚作用力较弱，在经过较长的循环后多硫化锂依然会产生穿梭效应。通过化学作用力束缚硫能有效解决上述问题。据先前的研究，单质硫在高温下开环形成线性双自由基的形式，它能够通过自由基插入反应与有机单体或聚合物反应从而形成稳定的C-S键。

另外，共轭有机框架由于其具有大的比表面积及孔容，高的导电性，孔径可调以及稳定性好等优点，因此共轭有机多孔材料做锂硫电池硫载体具有突出优势。

基于以上研究，本发明以锂硫电池用正极材料及其制备方法为研究对象，利用二氨基马来腈和硫在高温下反应进行预硫化，通过硫高温下形成的自由基催化合成共价三嗪框架，同时硫以C-S键的形式固定在聚合物骨架上，随后再进行熔融法将更多的硫负载到共价三嗪框架上。所制备的复合材料不仅具有良好的导电性，同时能有效抑制多硫化物的溶解扩散。将其用于锂硫电池正极时表现出优异的循环稳定性能和倍率性能。

发明内容

针对锂硫电池所面临的挑战，本发明的目的是提供一种用于锂硫电池正极的复合材料及其制备方法，以此提高锂硫电池的循环性能和倍率性能。

本发明通过如下技术方案实现：