[发明专利]一种氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂碳气凝胶‑硫复合电极，由10～60%的氮掺杂碳气凝胶和40～90%的硫组成，将细菌纤维素浸泡在饱和三聚氰胺溶液中充分搅拌，冷冻干燥后高温碳化得到氮掺杂碳气凝胶，用硫的二硫化碳溶液浸润氮掺杂碳气凝胶，再进行熔融充硫过程使硫分布均匀得到氮掺杂碳气凝胶‑硫复合电极，本发明以细菌纤维素碳化产物碳气凝胶为电极主体材料，引入氮原子掺杂并充硫后得到自支撑的碳气凝胶/硫复合电极，利用细菌纤维素水凝胶的吸附能力引入掺杂原子，过程简单，易于调节，掺杂量高，从而得到较好的固硫能力，提高电池的综合性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池技术领域，具体涉及一种锂硫电池用氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极、制备方法和应用。

背景技术

锂硫电池因其理论比容量高、成本低、环境友好等特点成为具有良好潜力的新一代二次电池之一，具有广阔的应用前景。

锂硫电池主要由正极、负极、电解液和隔膜四部分组成，电池总反应方程式为：16Li+S₈→8Li₂S，在电池循环过程中主要由于（1）正极放电过程伴随80%体积膨胀；（2）正极活性物质硫导电性差；（3）飞梭效应（多硫化物溶解在电解液中受浓度影响在正负极间扩散）等，导致电池性能下降，影响锂硫电池的产业化发展。

传统的锂硫电池主要采用多孔碳作为正极主体材料，利用碳材料高孔隙率高导电性的特点来改善硫电导率低以及放电过程体积膨胀严重的缺陷，并通过引入掺杂原子增强电极与多硫化物间的极性相互作用抑制飞梭效应。

但是传统的多孔碳材料孔体积有限，难以理想地将硫充入孔结构内，掺杂过程也需要引入含氮有机物前驱体，原料毒性高，工序繁琐。

同时传统的锂硫电极还含有大量的导电碳和粘结剂，降低了电池的能量密度。

发明内容

本发明的目的之一在于根据现有技术的不足，提供一种锂硫电池用氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极，由氮掺杂碳气凝胶和硫组成，其中氮掺杂碳气凝胶质量占整个电极总质量的10～60%，硫占总质量的40～90%。

优选组成为，氮掺杂碳气凝胶质量占电极总质量的20～40%，硫占电极总质量的60～80%。

本发明的目的之二是提供上述氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极制备方法，步骤如下：

（1）将10片细菌纤维素浸泡在0.01mol/L三聚氰胺溶液中搅拌24小时；

（2）将充分吸收三聚氰胺溶液后的细菌纤维素捞出置于烧杯里在液氮环境中进行冷冻半小时，然后转移到冻干机中进行冷冻干燥；

（3）将冻干的产物置于管式炉中，进行高温碳化，最后自然冷却到室温，得到直径40～60纳米的纤维交联形成的三维网状氮掺杂碳气凝胶；

（4）将氮掺杂碳气凝胶置于瓷舟中，用硫的二硫化碳溶液浸润氮掺杂碳气凝胶，再进行熔融充硫过程，使硫分布均匀得到氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极。

所述的一种氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极的制备方法，其细菌纤维素为直径40～60纳米的碳纤维交联形成的三维网状气凝胶，具有良好的持水能力和结构调控性。

所述的一种氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极的制备方法，其步骤（3）是在氮气或氩气气氛中升温至500℃并保温2h，再升温至800℃并保温4h，之后降温至500℃保温2h。

所述的一种氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极的制备方法，其步骤（4）是待二硫化碳挥发后在氮气或氩气气氛下155℃保温12h。

本发明的目的之二是提供上述氮掺杂碳气凝胶-硫复合电极的应用，用于锂硫二次电池。