[发明专利]一种聚苯胺包覆多孔棒状氮化钒负载硫复合材料及其制备方法以及锂硫电池正极和锂硫电池

说明书

本发明公开了一种聚苯胺包覆多孔棒状氮化钒负载硫复合材料及其制备方法以及锂硫电池正极和锂硫电池，以偏钒酸盐和三聚氰胺为原料，在惰性气氛中煅烧合成具有高比表面积的多孔棒状氮化钒材料；再利用熏硫法制备出氮化钒/硫复合材料，然后在复合材料表面进一步包覆聚苯胺导电层，提高锂硫电池的循环稳定性和倍率性能；氮化钒的多孔结构可以吸附容纳更多的硫，提供了足够的空间来克服循环过程中的体积变化，并且氮化钒对多硫化物具有较强的吸附特性，抑制多硫化物的穿梭效应，同时氮化钒表面包覆的聚苯胺可以增强复合材料导电性，提高锂硫电池正极的电导率，并有效抑制多硫化物向电解液的扩散，增强锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明属于锂硫电池正极材料技术领域，具体涉及一种聚苯胺包覆多孔棒状氮化钒负载硫复合材料及其制备方法以及锂硫电池正极和锂硫电池。

背景技术

铅酸电池作为最早大规模使用的可充电电池，具有低成本、高安全性、无记忆效应等优点，但其在能量密度、循环寿命、环境影响等方面仍具有一定局限性。锂硫电池由于其固有的二电子反应体系能够产生高达1675mAh g^-1的比容量和2600Wh kg^-1的比能量密度，并且硫在自然界存储丰富，价格低廉和无毒化等优点使其可成为广泛应用的电池。

但是锂硫电池有许多问题限制了他的实际应用，主要表现为硫及其还原产物Li₂S₂/Li₂S导电性差，充电过程中正极材料的体积膨胀，多硫化物的溶解穿梭和锂负极的腐蚀与枝晶等，这些问题导致了硫的利用率低以及循环稳定性差，同时使得锂硫电池的库伦效率大幅降低，寿命缩短，能量密度降低。因此，限制了锂硫电池的进一步市场化应用。

发明内容

为解决上述技术问题，实现对多硫化物的合理调控，本发明提供了一种聚苯胺包覆多孔棒状氮化钒负载硫复合材料及其制备方法，该制备方法简单，制备得到的复合材料具有较大的比表面，其多孔结构为容纳多硫化物提供了充足空间，同时促进锂离子在正极材料中传输，材料中的氮化钒对多硫化物有较多的吸附活性位点，能有效减缓多硫化物在正负极间的穿梭效应。此外，在其外层包覆了一层聚苯胺，不仅提高复合材料的导电性，也能进一步阻止多硫化物向电解液的扩散，从而提高该锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。

本发明还提供了一种锂硫电池正极及由其组装成的锂硫电池，该电池在循环150次后电池容量仍然高达735mAh g^-1。

本发明采取的技术方案为：

一种聚苯胺包覆多孔棒状氮化钒负载硫复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)将偏钒酸盐和三聚氰胺混合，在惰性气氛中于600～1000℃煅烧，制备得到多孔棒状氮化钒材料；

(2)将多孔棒状氮化钒材料与硫粉混合，在惰性气氛中密封加热进行熏硫，得到氮化钒/硫复合材料；

(3)将苯胺单体及氮化钒/硫复合材料分散在稀硫酸溶液中，加入含引发剂的稀硫酸溶液，冰水浴搅拌反应，反应结束后经过滤、洗涤、干燥，得到所述聚苯胺包覆多孔棒状氮化钒负载硫复合材料。

步骤(1)中，所述煅烧的时间为2-6小时；所述煅烧的条件优选为700～800℃加热3～5小时。

所述偏钒酸盐为偏钒酸钠、偏钒酸钾、偏钒酸铵中的任意一种或多种；所述偏钒酸盐与三聚氰胺的质量比为1:1～3。

步骤(2)中，所述多孔棒状氮化钒材料与硫粉的质量之比为1:2～4。

步骤(2)中，所述熏硫的条件为140～170℃加热12～50小时，优选为 150～160℃反应35～45小时。

所述惰性气氛为氩气或氮气气氛。