[发明专利]金属镍／氮掺杂碳纳米管及其锂硫电池复合正极材料

说明书

本发明提供了一种金属镍/氮掺杂碳纳米管及其锂硫电池复合正极材料；该材料是先以硝酸镍和含氮有机物为原料，通过一步高温碳化法制备金属镍/氮掺杂碳纳米管，再与硫单质经熔融‑扩散法复合得到的；所述碳纳米管具有竹节状结构，管径大小为15～75nm；且金属镍单质或分散在碳纳米管网络结构上，或内嵌于管中，其颗粒尺寸与碳纳米管管径大小大体一致；所述碳纳米管上均匀地分布着氮元素。本发明以金属镍/氮掺杂碳纳米管负载硫，利用氮掺杂碳纳米管材料优良的导电性，以及金属镍单质对多硫化锂的强化学相互作用和电极催化作用，极大地抑制多硫化锂的溶解和穿梭，从而获得兼具高比容量、高倍率性能和高循环稳定性的锂硫电池复合正极材料。

技术领域

本发明涉及新能源材料技术领域，具体涉及金属镍/氮掺杂碳纳米管及其锂硫电池复合正极材料。

背景技术

锂离子电池因其较高的能量密度和较长的循环寿命，成为众多移动设备的主导电源。但是，受限于锂离子“脱嵌”理论机制，商用锂离子电池的理论比容量低于300mAh/g，实际能量密度低于250Wh/kg，无法满足当下电动汽车产业的发展对高能量密度电池需求。与传统锂离子电池“脱嵌”机制不同，锂/硫电池在放电过程中，其活性物质硫单质与金属锂发生两电子转化反应，比容量达1675mAh/g，理论能量密度达2600Wh/kg，是最具发展潜力和应用价值的高比能电池体系之一。

但是，硫单质作为电极材料，电子导电性和离子导电性差，室温下电导率仅为5.0×10^-30S cm^-1，不利于电池的活性物质利用率和高倍率性能。同时，硫正极放电中间产物，即高阶多硫化锂，易溶于电解液中，在正负极之间迁移，即“穿梭效应”；这容易导致活性物质损失，容量快速衰减。文献调研显示，碳材料具有优良的电子导电性，作为硫正极载体材料，可显著提高硫正极的比容量和倍率性能。需要指出的是，碳材料对多硫化锂的固定，通常是通过孔结构的物理限域来实现，其作用力较弱，不利于抑制体系穿梭效应。

研究表明，对碳材料进行表面掺杂改性，如杂原子N、B、O、S等，可增强其对多硫化锂的固定作用。进一步强化这一作用，可采用金属原子掺杂，如金属钴，镍，铜等。这些金属单质的存在，不仅利于提高材料导电性，还可增强载体材料对硫活性物质的化学键合作用，催化多硫化锂电极氧化还原反应，从而能够改善硫正极循环寿命。因此，研究金属/非金属共掺杂碳载体材料的制备及其在锂硫电池中的应用，有望提升锂硫电池的电化学性能。然而，具体采用怎样的工艺制备共掺杂碳载体材料，又如何与硫单质复合形成电极材料，同时保证良好的导电性和较为简单的工艺流程，现有技术中缺乏成熟的解决方案。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供金属镍/氮掺杂碳纳米管及其锂硫电池复合正极材料，以解决锂硫电池中，因硫单质导电性差而导致硫正极活性物质利用率较低的技术问题。

本发明要解决的另一技术问题是，如何抑制锂硫电池中多硫化锂的溶解和穿梭。

为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

金属镍/氮掺杂碳纳米管，是由以下方法制备的：将硝酸镍、含氮有机物和去离子水混合，经蒸发干燥得到粉末前驱体；将所述粉末前驱体高温碳化，得到所述金属镍/氮掺杂碳纳米管。

作为优选，该金属镍/氮掺杂碳纳米管是由以下方法制备的：将硝酸镍、含氮有机物溶于50mL去离子水中，搅拌至完全溶解；蒸发溶剂，研磨均匀得到粉末物质，再通过高温碳化制得金属镍/氮掺杂碳纳米管。

作为优选，所述含氮有机物选自以下成分的其中一种：尿素，单氰胺，二氰胺，三聚氰胺。

作为优选，硝酸镍与含氮有机物的质量比为1:100。

作为优选，所述碳化的过程是在氮气气氛下进行的，碳化温度为700～1000℃(进一步优选为800℃)，升温速率为2～10℃/min(进一步优选为5℃/min)，碳化时间为4h。