[发明专利]锂硫电池用硒掺杂的共价有机骨架-硫正极复合材料及其合成方法

说明书

锂硫电池用硒掺杂的共价有机骨架‑硫正极复合材料及其合成方法，该正极复合材料包含共价有机骨架以及负载到共价有机碳骨架中的Se和S。本发明所述合成方法包括如下步骤：将硒、腈和硫以质量比为0.01～0.2：0.1～0.4：1进行研磨或球磨，得到混合粉末；将混合粉末真空密封后进行热处理，得到硒掺杂的共价有机骨架‑硫正极复合材料，所述热处理方法为：将混合粉末在100～200℃下热处理12～24小时，然后升温到400～600℃，热处理20～40小时。本发明制备的正极复合材料应用于锂硫电池，大大提高了锂硫电池的放电容量，显著降低了锂硫电池的容量衰减率。

技术领域

本发明属于电池制造技术领域，具体涉及锂硫电池用硒掺杂的共价有机骨架-硫正极复合材料及其合成方法。

背景技术

由于化石燃料的日益枯竭以及燃烧所带来日益严重的环境问题成为困扰人类社会可持续发展的两大难题。开发新型清洁能源已经迫在眉睫，其中电化学储能体系特别是锂离子电池体系被人们寄予厚望。二次锂离子电池未来将在电动汽车或混合动力汽车领域得到广泛应用。然而，锂离子电池受正极材料自身结构及储能机制所限，实际的能量密度少于500Wh Kg^-1，无法满足电动汽车的未来发展要求。因此，开发更高能量密度的锂离子电池特别是电池正极材料如锂硫电池，具有非常重要的战略和现实意义。

目前，具有高比容量及比能量的锂硫电池一直得不到广泛应用。单质硫的理论放电容量可以达到1672mAh g^-1，但由于其自身低的导电性，不能单独作为锂硫电池的正极材料，研究者们一般采用碳材料与硫复合，复合之后材料的电化学性能得了很大的提升，但是放电过程中形成的多硫化锂依然会溶解在电解液中，降低了电池导电性，同时溶解的多硫化锂会扩散到负极，与负极反应，降低负极金属锂的活性，从而降低放电容量。

研究者们一直在寻找更有效的解决方法以提高锂硫电池的电化学性能。对此，提出对碳材料进行化学修饰(引入杂原子)、聚合物包覆等，将多硫化锂约束在碳材料内部，从而达到对多硫离子的束缚，提高活性物质的利用率，保持循环稳定性。

近年来随着锂硫电池技术的发展，碳硫复合材料的合成方法如下：首先采用有机碳源为原料、通过控制温度和气氛合成多孔碳材料，然后熔融法合成碳硫材料。该合成方法分两步进行，虽然能大规模合成碳硫正极材料，但会出现以下问题：

1)采用有机碳源得到的多孔材料的孔径分布不均匀，而且碳与硫之间具有较弱的相互作用力，不能有效的抑制多硫离子的溶解。

2)采用有机碳源得到多孔材料的合成方法需要高的热处理温度(800℃)，而且需要高纯的保护气氛，从而合成成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供锂硫电池用硒掺杂的共价有机骨架-硫正极复合材料及其合成方法，简化锂硫电池正极材料的合成工艺，降低合成成本，制备得到的正极复合材料应用于锂硫电池，可提高锂硫电池放电容量，降低锂硫电池容量衰减率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种锂硫电池用硒掺杂的共价有机骨架-硫正极复合材料，包含共价有机骨架以及负载到共价有机碳骨架中的Se和S，所述共价有机骨架具有纳米孔径，纳米孔径尺寸为0.5～5nm。

本发明所述锂硫电池用硒掺杂的共价有机骨架-硫正极复合材料的合成方法，包括如下步骤：将硒、腈和硫以质量比为0.01～0.2：0.1～0.4：1进行机械研磨或球磨，得到混合粉末；将混合粉末真空密封后进行热处理，得到硒掺杂的共价有机骨架-硫正极复合材料，所述热处理方法为：将混合粉末在100～200℃下热处理12～24小时，然后升温到400～600℃，热处理20～40小时。

进一步，所述腈为对苯二腈，1,3,5-苯三甲腈，四(4-苯腈)乙烯，2,6-奈二甲腈，1,3-间苯二腈，2,6-二氰基吡啶，4,4-联苯二甲腈中的一种。

所述球磨过程中球料比为1：20～40。