[发明专利]氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法，属于电池材料领域。该氮掺杂碳材料通过以下方法制备得到：将摩尔比为2:1～3:1的甲醛和间苯二酚混合，再加入含氮有机化合物，油浴反应得到有机湿凝胶；含氮有机化合物与间苯二酚的摩尔比为1：150～1：100；将有机湿凝胶干燥，得到有机凝胶；将有机凝胶高温碳化，得到颗粒状的氮掺杂碳材料。将该氮掺杂碳材料作为锂硫电池中正极材料的基体使用，能够有效地吸附多硫化物，减少溶解于电解液和沉积于锂负极的多硫化物；在锂硫电池电循环充放电过程中，氮掺杂碳材料可增强正极的导电性能，减少硫化物的生成量，可明显改善锂硫电池的循环充放电性能。

技术领域

本发明涉及电池材料领域，特别涉及一种氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

随着社会和经济的飞速发展，对化石能源的需求日益增加，面对化石能源资源枯竭问题，需要寻求新的可替代能源。同时，随着环境保护意识的增强，以及降低碳排放的呼声日益高涨，动力锂电池作为驱动电源的新能源汽车已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。但是，尽管以动力锂电池作为驱动电源的新能源车已大量普及，仍面临着续驶里程不足、频繁充电带来的体验差等问题。为此，开发高比能量的动力锂电池显得非常紧迫，而锂硫电池因具有较高的能量密度而备受关注，其理论比能量2680Wh/kg，而传统锂离子电池理论比能量仅为400～600Wh/kg，因此，锂硫电池的研究开发具有非常重要的现实意义。

相关技术中，锂硫电池以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极，锂硫电池在放电时，负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物。通过电子和离子在电解液中向正极或者负极传输，实现锂硫电池的循环充放电。以正极材料为石墨烯/硫/乙炔黑为例，其首次放电容量1550.0mAh/g，0.6C充放电100次，容量764.0mAh/g，容量保持率为49.3％；1.2C充放电100次后577mAh/g，容量保持率37.2％。

发明人发现相关技术至少存在以下问题：

在锂硫电池循环充放电中，形成的多硫化物易溶解于电解液中，造成电解液密度变大，多硫化物还容易扩散到金属锂负极上，导致内阻增大，从而影响锂硫电池的循环充放电性能。

发明内容

本发明实施例提供了一种氮掺杂碳材料、锂硫电池正极材料及其制备方法，可解决上述技术问题。具体技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种氮掺杂碳材料，所述氮掺杂碳材料通过以下方法制备得到：

将摩尔比为2:1～3:1的甲醛和间苯二酚混合，再加入含氮有机化合物，油浴反应得到有机湿凝胶；所述含氮有机化合物与所述间苯二酚的摩尔比为1：150～1：100；

将所述有机湿凝胶干燥，得到有机凝胶；

将所述有机凝胶高温碳化，得到颗粒状的所述氮掺杂碳材料。

在一种可能的设计中，所述含氮有机化合物为二甲胺、三甲胺、二苯胺、苯胺、或者N-甲基苯胺。

在一种可能的设计中，所述油浴反应的温度为75～90℃，所述油浴反应的搅拌速度为120～200r/min，所述油浴反应的时间为8～20h。

在一种可能的设计中，所述干燥的温度为100～150℃，所述干燥的时间为16～24h。

在一种可能的设计中，所述高温碳化为：

在氩气气氛中，以5℃/min的升温速率升温到750～900℃，碳化5～10h。

另一方面，本发明实施例提供了一种锂硫电池正极材料，所述锂硫电池正极材料包括：基体材料和正极材料；

所述基体材料为上述提及的任意一种所述的氮掺杂碳材料，所述正极材料为升华硫；