[发明专利]一种自支撑分级孔正极材料、制备方法及其在锂硫电池上的应用

说明书

本发明属于材料制备技术领域，提供一种自支撑分级孔正极材料、制备方法及其在锂硫电池上的应用。该自支撑分级孔正极材料由商业化三聚氰胺泡沫作为碳骨架来源；以间苯二酚、甲醛和硫脲为原料，在单一水溶液中进行自组装，经过老化、干燥和高温碳化得到自支撑氮硫共掺杂分级孔正极材料。所述自支撑分级孔正极材料的比表面积为249‑580m²/g，硫元素含量0.23‑1.87at.％，氮元素含量为2.03‑9.71at.％，高的载硫量从3.0‑12.0mg/cm²。本发明的效果和益处是：1)该方法制备工艺简单，原材料价格便宜，易得，产品成本低；2)所得正极材料具有极性的表面性质以及丰富的孔结构和离子传输通道，显著提升电极材料的稳定性以及电化学性能。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种自支撑分级孔正极材料、制备方法及其在锂硫电池上的应用。

背景技术

随着社会的发展和能源结构的变化，能源储存技术成为人们急需解决的问题。在过去几十年来锂电池在社会各方面得到广泛的应用，但是由于其质量比容量很难超过300Wh/kg已经不能很好的满足人们的需求。因此开发具有更高质量比能量的电池，以满足未来社会发展需求，是目前世界各国面临的共同技术挑战。

与传统的锂电池相比，锂硫电池具有高达1675mAh/g的理论比容量以及2600W h/kg理论比能量。同时，单质硫具有资源丰富、廉价、无毒等优点，因此锂硫电池成为了备受青睐的高能量密度二次电池。

尽管锂硫电池拥有许多优点，但是仍然存在以下问题限制了锂硫电池的发展和应用。第一，硫单质(S)与其还原产物硫化锂(Li₂S)的电子及离子电导率极低，严重影响了硫的利用率。第二，电极反应的中间产物多硫化物(Li₂S_x，2＜x≤8)在电解液中溶解导致正极材料的活性物质流失，形成“穿梭效应”。第三，在充放电过程中会产生约80％的体积变化，导致正极材料结构的坍塌与粉化。

针对以上问题设计合理有效的正极材料可以很大程度上解决以上问题。功能碳材料作为传统的正极材料近几十年吸引了广大学者的研究，但由于非极性的功能碳材料与极性多硫化合物的结合力不强不能很好的达到固硫效果。因此大量研究者对碳材料进行极性杂原子(比如：N、B、S等)掺杂以提高固硫效果，但传统的二维铝箔作为集流体限制了载硫量的进一步提高，而粘结剂的加入则影响了电极的导电性，因此自支撑正极材料的设计得到了广泛的研究，如碳泡沫、泡沫镍、碳布等。但由于这些自支撑材料孔道单一且多为大孔，尚达不到良好的固硫效果和硫的高效利用。因此，一种自支撑分级孔正极材料的设计可有效改善锂硫电池的电化学性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种有效、简易、低成本的自支撑分级孔正极材料、制备方法及其在锂硫电池上的应用。

本发明的技术方案为：

一种自支撑分级孔正极材料，该自支撑分级孔正极材料由商业化三聚氰胺泡沫作为碳骨架来源，以间苯二酚、甲醛和硫脲为原料，在单一水溶液中采用低温自组装方法进行自组装将酚醛树脂填充进大孔的三聚氰胺泡沫内，经过老化、干燥和高温碳化得到自支撑氮硫共掺杂分级孔正极材料。以氮硫共掺杂多孔碳填充三聚氰胺泡沫的大孔形成分级孔材料，同时，氮硫共掺杂多孔碳能够提高固硫效果；所述自支撑分级孔正极材料的比表面积为249-580m²/g，硫元素含量0.23-1.87at.％，氮元素含量为2.03-9.71at.％，高的载硫量从3.0-12.0mg/cm²。

该自支撑分级孔正极材料采用含硫电解液进行充硫，既能在充放电过程中实现微孔固硫，又能获得更大的储硫空间和更通畅的锂离子传输通道，提高电池的能量密度和倍率性能。

一种自支撑分级孔正极材料的制备方法，包括以下步骤：