[发明专利]一种核壳包覆硫-碳纳米管复合锂硫电池正极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种核壳包覆硫‑碳纳米管锂硫电池复合正极材料的制备方法，包括：1)将碳纳米管(CNT)和升华硫(S₈)在保护气氛下，热处理6～8h，冷却至23～25℃，得到硫‑碳纳米管复合物；2)将复合物研磨成粉末，加入去离子水，然后超声分散；3)将均匀分散的溶液在200～400r/min搅拌条件下，再加入0.015～0.5g的Co(NO₃)₂·6H₂O和0.3～1g的尿素，持续搅拌直到生成Co(OH)₂均匀的溶液；4)将溶液烘干，再研磨成粉末。本发明的工艺简单且后续制备过程不需要预处理及气体保护，而且由该方法得到的核壳层硫‑碳纳米管复合正极材料在1A/g电流密度下放电比容量达966mAh/g，并且还提升了其倍率及循环性能。

技术领域

本发明涉及一种核壳包覆硫-碳纳米管复合锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

正极材料是锂二次电池体系中的重要组成部分，其在很大程度上它的好坏直接影响着锂离子电池的各项性能指标。而当前所使用的如钴酸锂、锰酸锂和三元等正极材料基于其“脱嵌”锂的反应机理，从而极大的限制了其理论比容量(低于300mAh/g)，因此发展高能量密度的正极材料，以满足未来电动汽车对高功率型动力电池的需求显得至关重要。

锂硫电池是以硫做正极材料，锂做负极材料利用材料转换反应储锂机制的一种新电池体系。单质硫不仅具有极高的理论比容量(1675mAh/g，是传统正极材料的5～10倍)，能量密度可达2500Wh/kg，而且，硫还具有无毒、环境友好、原料来源广泛和成本低廉等众多优点，而被预想为下一代极具开发前景的储能系统。然而，锂硫电池受限于自身材料的固有特性和反应机制等原因，其体系存在单质硫的导电性差，充放电过程中电极体积变化大，硫易溶在电解液中产生长链状的多硫化物以及伴随产生的穿梭效应等，导致锂硫电池的活性物质利用率低、循环寿命短和稳定性差等一系列问题，从而严重阻碍了其商业化发展。

目前，大量相关文献报道了对锂硫电池的改性方案，专利申请CN 104659338 A中公开了先将碳纳米管在含较高浓度的氮源物质中进行水热反应，之后把硫溶解在氮化碳纳米管中并滴加萃取剂从而得到硫碳复合物。但该措施并不能有效抑制多硫化物的生成及随之循环过程引起的穿梭效应，因为碳纳米管的固硫作用也是有限的；此外，该方法使用了价格较贵、对环境有刺激性的原料如氨水、水合肼和正丁胺等氮源物质溶液，后续过程加入了苯等有毒物质进行萃取，对环境有害。专利申请CN 105118972 A中，公开了利用金属氢氧化物包覆碳硫的锂硫电池正极材料，可以有效地改善多硫化物的穿梭效应，但是使用导电炭黑并不能像碳纳米管一样有效的储硫及提高复合材料的电导率。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能提高硫电极的负载量，又能提高活性物质利用率及循环稳定性的核壳包覆硫-碳纳米管复合锂硫电池正极材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

1)将碳纳米管(CNT)和升华硫(S₈)按质量比为1:(1～4)的比例放入瓷舟内混合均匀并加盖，然后在通有氩气或氮气的保护气氛下，以2～5℃/min的升温速率在管式炉内155～200℃热处理6～8h，使液态硫充分浸入碳纳米管管壁内，待其冷却至23～25℃，即可得到硫-碳纳米管复合物，记为S₈@CNT；

2)将步骤1)中得到的硫-碳纳米管复合物(S₈@CNT)研磨成粉末，称取0.2～0.8gS₈@CNT并加入10～30ml去离子水，然后超声1～2h使其均匀分散；

3)将步骤2)中均匀分散的溶液置于磁力搅拌器上，在200～400r/min搅拌条件下，再加入0.015～0.5g的Co(NO₃)₂·6H₂O和0.3～1g的尿素，持续搅拌3～6h直到生成Co(OH)₂并成为均匀的溶液；