[发明专利]一种氮掺杂锂硫电池正极材料、制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种氮掺杂锂硫电池正极材料、制备方法及其应用，将氯化钠、三聚氰胺和淀粉在水中混合，通过糊化反应，获得前驱体凝胶，再经冷冻干燥，高温焙烧，浸泡洗涤，除去氯化钠，便可得到氮掺杂多孔碳粉体。添加无机盐氯化钠充当造孔剂，使得产物具有均匀微纳米孔结构和高比表面积。最后，通过熏硫的方式负载硫颗粒，最终获得氮掺杂多孔碳负载硫复合材料，作为锂硫电池正极材料，其多孔结构提供大量活性位点，有助于束缚多硫化物，抑制多硫化物的穿梭效应。该材料用作锂硫电池正极材料，具有良好的循环稳定性和较高的比容量。此外，本发明氮掺杂多孔碳制备方法的工艺条件温和、步骤简单，所用原料价廉易得，易规模化生产。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种无机微纳米碳粉体的制备方法，具体为一种氮掺杂碳锂硫电池正极材料、制备方法及其应用。

背景技术

锂硫电池是以金属锂为负极、单质硫为正极的一种二次电池，放电时负极反应为锂失去电子，生成锂离子，正极反应为硫与电子和锂离子结合生成硫化物，正极反应和负极反应的电势差即为锂硫电池所提供的工作电压。锂硫电池的理论比容量高达1675mAh g^-1，这远大于目前所使用的商业化二次电池。近年来，锂硫电池因具有高能量密度和髙理论容量等特点，成为高能新型二次电池的主要研究方向之一。此外，正极活性物质单质硫具有廉价、资源丰富和环境友好等优点，使得锂硫电池具有极大商业应用前景。

然而，当前锂硫电池却面临很大的挑战：单质硫的导电性差，其室温电导率低达5.0×10^-30s cm^-1，放电反应的最终产物Li₂S₂和Li₂S均是电子绝缘体，这非常不利于锂硫电池在高电流密度下充放电。由于单质硫正极材料及其放电产物硫化锂导电性差，正极材料放电过程中的体积效应及其与锂离子反应生成的多硫化物易在有机电解液中溶解，以及多硫化锂的“穿梭效应”等问题，致使正极材料中单质硫的利用率低、循环性能差、倍率性能差。

针对上述问题，改进正极材料的主要是将硫和多孔材料复合，或者多硫化物与多孔材料结合，外层再用导电高分子聚合物包覆，这样可以显著提高硫复合正极材料的导电性，同时缓解充电过程中产生的体积膨胀问题。目前，采用多孔碳与硫复合的研究报道较多。例如，2018年，陆胜等人公开了中国发明专利“一种三维多孔碳结构锂硫电池正极复合材料的制备方法”(公开号CN108695497A)，该专利利用自发泡法构筑一种具有多级孔结构的三维碳骨架，作为活性物质单质硫的载体，与单质硫复合后，再采用原位聚合的方法，在其表面包覆上导电高分子聚合物，作为复合电极材料用于锂硫电池正极，表现出较好的电化学性能。同时，Song Zhicui等人在Journal of Power Sources(2019,421,23-31)期刊中报道了一种通过合理设计N/P共掺杂碳作为硫的载体和高性能锂硫电池的功能中间层，实现了聚硫化物的协同封闭，该锂硫电池虽然具有高能量密度和低材料成本的优点，但由于可溶性聚硫化物的穿梭效应，其循环寿命较差，库仑效率较低。

现有的专利和文献报道的锂硫电池正极材料虽然表现出良好的循环性能，但材料的制备方法相对比较复杂，造孔均匀性难以控制，里面的多孔不能很好的束缚硫。同时对于锂离子的进出也比较困难，阻止其向电解质溶液的迁移与溶解，进而碳-硫复合物的循环倍率性较差。进而碳-硫复合物的循环稳定性不好，不能满足实际的需要。此外，氮掺杂多孔碳，有助于提高碳材料的导电性，同时也能促进对多硫化物的束缚作用。有鉴于此，确有必要提供一种锂硫电池正极材料具有良好的循环性能。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明的目的在于提供一种氮掺杂锂硫电池正极材料，具有大的比表面积，可负载更多的活性物质，有利于电子传输，有效阻止多硫化物的“穿梭效应”。

本发明还提供了一种氮掺杂锂硫电池正极材料的制备方法，原料充足且价格低廉易得，制备方法简单可行。

本发明还提供了一种氮掺杂锂硫电池正极材料用于制作电池。

本发明具体技术方案如下：