[发明专利]一种氮掺杂介孔空心碳微球的锂硫电池正极材料及制法

说明书

本发明涉及锂硫电池技术领域，且公开了一种氮掺杂介孔空心碳微球的锂硫电池正极材料，在氮掺杂介孔空心碳微球的包覆作用下，对单质硫的体积膨胀起到了缓冲应力的作用，缓解了单质硫的体积变化，维持了正极材料的结构稳定性和循环稳定性，同时氮掺杂介孔空心碳微球独特的空心和介孔结构，对多硫化物具有很强物理空间限域作用，可以减少多硫化物溶解到电解液中，有效降低了穿梭效应，避免硫活性物质的损失和容量的快速衰减，而氮掺杂产生的石墨氮等结构，有利于调节多孔碳的导电性和电化学性质，促进了电子的传输和迁移，从而提高了正极材料的导电性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂硫电池技术领域，具体为一种氮掺杂介孔空心碳微球的锂硫电池正极材料及制法。

背景技术

锂硫电池是一种金属锂作为负极，硫作为正极活性物质的锂电池，由于锂-硫电化学过程涉及丰富多电子反应，锂硫电池拥有高达的理论比容量和理论比能量高达1675mAh/g和2600Wh/kg，并且硫的储量丰富、廉价易得、环境友好、污染很小，因而锂硫电池是一种极具开发潜力和应用前景广阔的新型高能量密度储能装置。

目前的锂硫电池仍处于科研阶段，尚未广泛商业化应用的原因是硫作为不导电物质，作为正极材料时其导电性能很差，不利于正极材料倍率性能，并且在充放电过程中，硫反应生成可溶性的多硫化物的，会扩散和溶解到电解液中，引起穿梭效应，导致正极硫活性物质利用率低、容量衰减快速、循环寿命减少等问题，同时硫在持续的充放电过程中，会产生体积膨胀和收缩的现象，体积变化严重会导致电极基体结构损耗，甚至分解和破坏，严重影响了锂硫电池的实际比容量和循环稳定性。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种氮掺杂介孔空心碳微球的锂硫电池正极材料及制法，解决了硫正极材料的导电性差、容量衰减快速，循环稳定性降低的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种氮掺杂介孔空心碳微球的锂硫电池正极材料：所述一种氮掺杂介孔空心碳微球的锂硫电池正极材料的制法如下：

(1)向反应瓶中加入氢氧化钠溶液、木质素和溴丙炔，在热反应装置中，70-100℃下回流反应2-6h，加入盐酸溶液直至大量沉淀析出，抽滤、蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，得到炔基化木质素。

(2)以四丁基溴化铵作为催化剂，氯甲基苯乙烯和叠氮化钠作为反应物进行反应，制得叠氮化苯乙烯，然后向反应瓶中加入碳酸氢钠水溶液、十二烷基硫酸钠、苯乙烯和叠氮化苯乙烯，搅拌均匀后加入过硫酸钾，在热反应装置中，60-80℃下反应10-15h，离心分离、蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制得叠氮化聚苯乙烯微球。

(3)向N,N-二甲基甲酰胺溶剂中加入叠氮化聚苯乙烯微球和炔基化木质素，超声分散均匀再加入催化剂溴化亚铜和三乙胺，在热反应装置中，氮气气氛下，40-70℃下反应24-48h，加入甲醇进行沉淀，抽滤、蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制得木质素包覆聚苯乙烯微球。

(4)将木质素包覆聚苯乙烯微球置于气氛管式炉中，进行煅烧处理，制得氮掺杂介孔空心碳微球。

(5)将氮掺杂介孔空心碳微球和单质硫置于反应釜中，在153-157℃下熔融渗硫处理8-15h，制得氮掺杂介孔空心碳微球的锂硫电池正极材料。

优选的，所述步骤(1)中的热反应装置包括加热器、加热器上方设置有反应室，反应室内部两侧固定连接有卡块，卡块固定连接有铰链，铰链与支撑杆活动连接，支撑杆之间设置有反应瓶。

优选的，所述步骤(1)中的木质素和溴丙炔的质量比为100:15-25。

优选的，所述步骤(2)中的十二烷基硫酸钠、苯乙烯、叠氮化苯乙烯和过硫酸钾的质量比为12-18:100:40-80:110-130。