[发明专利]一种石墨相氮化碳锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于电化学应用技术领域，公开了一种石墨相氮化碳锂硫电池正极材料及其制备方法。该材料以三聚氰胺和尿素作为石墨相氮化碳的前驱体，利用马弗炉550℃加热获得。通过熔融扩散法制备石墨相氮化碳/硫复合材料，然后按比例混合石墨相氮化碳/硫复合材料、导电炭黑、PVDF，边滴加NMP边研磨以获得正极浆料，最后通过涂膜，真空干燥，压片，冲片并在手套箱里组装成CR2032扣式电池。本发明原材料廉价易得，成本低，易于制备。石墨相氮化碳作为锂硫电池硫宿主材料拥有大比表面积，高氮含量，大比表面积可以良好的限制硫阴极体积的变化，高氮含量通过化学吸附的方式抑制了多硫化锂的穿梭，大大提升了锂硫电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料制备领域，具体涉及是为一种石墨相氮化碳锂硫电池正极材料及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

锂硫电池是以硫元素为正极材料，金属锂为负极材料的电池。锂硫电池的理论容量高达1675mAh·g^-1，理论能量密度高达2600Wh·kg^-1，因此吸引了大量科研人员的广泛研究。而且硫在地球上储量丰富，成本低廉且环境友好，这更是锂硫电池的优势所在，这证实了锂硫电池的可行性。

尽管有许多优势，但是锂硫电池还是面临诸多难题。硫自身的电导率极低，因此单纯的硫单质作为硫阴极材料必然会导致低的容量及差的循环性能，随着碳材料的兴起以及其广泛的研究，已经发明出各种配置的碳/硫复合材料作为锂硫电池的硫阴极，并得到了广泛的应用。但是锂硫电池的穿梭效应并没有被很好的抑制，充放电反应过程中生成的可溶性多硫化物和不可溶性多硫化物的穿梭一直影响着锂硫电池的性能，例如当不可溶性的Li₂S被氧化至S时，正极的体积会膨胀79%，而且存在自放电现象。这就使得锂硫电池的初始性能往往表现良好，但经过多次放电后就会表现出极差的循环性能。

针对上述问题，许多科学家就如何抑制穿梭效应为主题，研究了众多解决策略。目前主流的解决策略是硫阴极主体材料的改变，利用二维材料的高比表面积，高孔隙率的优势，限制多硫化物的扩散。但是单纯类似于此的物理限制方法并不足以维持锂硫电池更好的性能。因此本发明提出用石墨相氮化碳作为锂硫电池的硫阴极主体材料，石墨相氮化碳是石墨状的层状材料，在石墨状层中，每四个氮原子中的一个sp³杂化氮原子与三个相邻的碳形成共价键，其他三种sp²杂化型氮原子中的每一个在两个碳原子旁边，并且具有孤对电子。最重要的是，石墨相氮化碳中氮原子的比例高达56wt%，氮原子易与锂元素性能Li-N强化学键，因此能够通过化学吸附达到抑制多硫化锂穿梭的效果，可有效提升锂硫电池的容量保持率。

因此，现在提出一种用石墨相氮化碳材料作为锂硫电池正极提升其容量保持率的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种石墨相氮化碳锂硫电池正极材料及其制备方法，并针对于现有技术中的硫复合正极材料普遍存在硫负载量偏低，硫电极比容量偏小，能量密度低，循环稳定性差等问题，提供一种硫负载量高，活性物质硫利用率高，能量密度高，氮含量高，抑制穿梭效应明显的硫阴极宿主材料，用于改善锂硫电池较差的循环性能。

本发明的另一目的在于提供一种操作简单、成本低的石墨相氮化碳作为锂硫电池正极宿主的方法。

本发明的技术方案：

一种石墨相氮化碳锂硫电池正极材料及其制备方法，包括如下步骤：

1）以三聚氰胺和尿素为前驱体，进行高温煅烧聚合，得到黄色石墨相氮化碳材料；

2）将步骤1）所得的石墨相氮化碳材料充分研磨，取适量研磨后的石墨相氮化碳材料与升华硫混合并充分研磨，放入反应釜加热，得到氮化碳/硫的复合材料；

3）将步骤2）所得的氮化碳/硫复合材料与导电炭黑、PVDF通过NMP浆料混合研磨得到锂硫电池正极浆料；