[发明专利]一种钠硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钠硫电池正极材料及其制备方法，该正极材料为硫‑ZIF8‑氮掺杂碳复合材料，通过静电纺丝法制备得到聚丙烯腈‑氧化锌复合材料，将该复合材料碳化后诱导生长ZIF8得到ZIF8包覆的氮掺杂碳纳米纤维，再利用球磨法和热融法掺硫得到硫‑ZIF8‑氮掺杂碳复合材料。本发明可显著改善现有钠硫电池存在的载硫量低，穿梭效应明显，循环稳定性差等问题。

技术领域

本发明属于材料化学领域，涉及一种高比容量的钠硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

当今世界的主要能源由约37％的石油、25％的天然气、21％的煤、9％的核能以及3％的可再生能源组成。其中可再生能源包括地热能，太阳能，风能，生物质能，水力发电等。而随着人们对能源的需求不断增加，开采能源造成的环境问题也日益严重，因此发展可再生能源生产、运输、转化与存储问题，是一个迫切需要解决的全球性难题。提高新能源存储技术，主要运用于存储可再生能源，如风能，潮汐能等，应用于支持电动车以及电动汽车的行驶，支持便携式电子产品的使用，如我们平时常用的手机、相机、笔记本电脑等。

众所周知，当前应用最广泛的莫过于锂离子电池。但是传统锂离子电池由于其理论能量密度约为387Wh kg^-1，这限制了在动力交通工具及纯电动交通工具等领域的广泛应用。而锂硫电池因硫的理论能量密度高达2500Wh kg^-1，理论比容量高达1675mAh g^-1，而受到广泛关注，并且硫具有成本低，无毒，安全性好等优点。但是，由于锂元素在地壳中的匮乏，只占约0.0065％，价格昂贵，而钠元素却占约2.64％，钠的电极电势为-2.71V略高于锂的-3.02V，安全性更好一些。而且钠与锂处于同一主族，电化学性质相似，所以可尝试用钠来代替锂构造钠硫电池。

然而，由于金属钠比锂更加活泼，所以钠硫电池面临的挑战比锂硫电池更多，特别是在硫活性材料的利用率和循环期间的容量保持方面。与锂硫电池类似，室温钠硫电池在使用液态电解液时，因为硫的绝缘性，多硫化物易溶于电解液而导致穿梭效应，体积膨胀等原因，导致硫的利用率低、循环性能差等，使得钠硫电池的电化学性能收到严重影响。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种钠硫电池正极材料的制备方法，可明显提升钠硫电池正极材料的载硫量，降低穿梭效应，并保持多硫化物在电解液内的循环稳定性。

本发明是通过如下技术方案实现的：

提供一种钠硫电池正极材料，该正极材料为硫-ZIF8-氮掺杂碳复合材料，通过静电纺丝法制备得到聚丙烯腈-氧化锌复合材料，将该复合材料碳化后诱导生长ZIF8得到ZIF8包覆的氮掺杂碳纳米纤维，再利用球磨法和热融法掺硫得到硫-ZIF8-氮掺杂碳复合材料。

一种钠硫电池正极材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步，取适量聚丙烯腈和氯化锌，置于N，N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌均匀后取混合液利用静电纺丝制得氯化锌掺杂聚丙烯腈纳米纤维；将制备好的氯化锌掺杂聚丙烯腈纳米纤维置于管式炉中，在氩气气氛下，500～1000℃下煅烧2～5小时，冷却后得到氮掺杂碳纳米纤维-氧化锌复合材料；

第二步，取氮掺杂碳纳米纤维-氧化锌复合材料将其置于二甲基咪唑的甲醇溶液中，搅拌均匀，保持温度50～80℃水浴2～5h后，离心收集产物得到ZIF8包覆的氮掺杂碳纳米纤维；

第三步，将制得的ZIF8包覆的氮掺杂碳纳米纤维和纯相纳米硫粉按照质量比为1：2～5放入球磨罐内，使用行星式球磨机在转速为500～800r/min条件下混合处理3～5h，将球磨后得到的混合物放入氮气保护下的管式炉中，在100～200℃下热处理8～24h，得到硫-ZIF8-氮掺杂碳复合材料。