[发明专利]一种核壳结构锂硫电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及核壳结构锂硫电池正极材料及其制备方法：通过简单的液相法一步合成具有核壳结构的氮掺杂石墨烯包覆硫/碳纳米管(或碳纳米纤维)复合材料。碳纳米管所构建的三维网络不仅改善硫的利用率，提高倍率性能，同时其位于核壳之间也有利于缓解单质硫的体积膨胀，改善循环性能；石墨烯的包覆可以减缓“穿梭效应”和提高倍率性能，石墨烯上的含氮官能团与多硫化物的配位作用将进一步地改善“穿梭效应”，提高锂硫电池的循环寿命。通过氮掺杂石墨烯和碳纳米管的物化协同效应来提高锂硫电池的放电比容量、倍率性能和循环寿命。制备方法简便且材料性能优异，在具有大倍率和高能量密度要求的无人机及电动汽车等领域将有广阔应用前景。

技术领域

本发明涉及一种可提高锂硫电池的比容量、倍率性能和循环寿命的具有核壳结构的锂硫电池正极材料。本发明还涉及所述锂硫电池正极材料的制备方法。

背景技术

随着无人机和电动汽车等相关行业的迅猛发展，以及“碳达峰”和“碳中和”目标的提出，大倍率和高能量密度电池(≥350wh/kg)的市场需求越来越强烈。而传统的电池材料已经逼近理论容量，无法满足市场的进一步发展要求。因此，开发具有高性能、低成本和环境友好的新型锂离子二次电池具有非常重要的战略意义。单质硫具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和较高的理论比能量(2600Wh/kg)，以及储量丰富、价格低廉、环境友好等优点，锂硫电池被认为是能量密度最先达到500Wh/kg以上的热门电池体系之一。然而，单质硫本身的导电性差(在常温25摄氏度下，导电率仅为5×10^-30S/cm)，且在充放电过程中与锂离子形成的多硫化物易溶于有机电解液中，导致了以单质硫为正极构筑的锂硫电池循环性能差、比容量低、倍率性能差等缺点，从而制约了锂硫电池的进一步市场化。目前，国内外很多科研院所和企业都在致力于锂硫电池的研发。常用的方法是通过导电材料提高硫的利用率；利用多孔材料对多硫化物的固定和吸附，利用化学键与多硫化物的配位作用，利用包覆和功能隔膜的物理化学阻挡作用等方式来减少锂硫电池的“穿梭效应”，改善锂硫电池的放电比容量和循环寿命。虽然这些方法已经取得了不错的成效，但对于大倍率和高能量密度锂硫电池的研究相对较少，由于无人机和电动汽车等在启动和加速需要较大的瞬间功率，这个是目前锂硫电池所面临的问题，想要在未来的能源领域占得一席之地，还需要研发大倍率、高比容量和长循环性能的锂硫电池正极材料。

所以，开发一种操作简单、施行度高且性能优异的锂硫电池正极材料及其制备方法显得尤为重要，高性能锂硫电池正极材料的开发对锂硫电池的工业化发展，乃至对推动无人机和新能源汽车产业化进程都具有非常重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种具有核壳结构的氮掺杂石墨烯包覆硫/碳纳米管(或碳纳米纤维)的锂硫电池正极材料。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供上述核壳结构锂硫电池正极材料的制备方法。

采用本发明的制备方法，通过液相法可一步制备出明显改善电池倍率性能和循环寿命的核壳结构锂硫电池正极材料。

解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种核壳结构锂硫电池正极材料，其特征是：由碳纳米管(或者碳纳米纤维)构成的三维导电网络分散在硫微粒的内部、以及氮掺杂石墨烯层与硫微粒之间，氮掺杂石墨烯层包覆在硫/碳纳米管(或碳纳米纤维)的外部，形成核壳结构。

所述的硫微粒和其内部包裹的碳纳米管构成了复合物的核，最外层由氮掺杂石墨烯层包覆形成了复合物的壳，在核壳之间的三维网络结构的碳纳米管起到导电和缓冲作用。