[发明专利]一种用于锂硫电池的金属氧化物基复合正极材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种锂硫电池正极材料的制备方法，具体涉及一种用于锂硫电池的金属氧化物基复合正极材料的制备。它包括以下步骤：一、碳纳米管材料的预处理；二、金属有机骨架/碳纳米管前驱体的制备；三、钴基氮掺杂多孔碳骨架材料的制备；四、负载二氧化铈的钴基氮掺杂多孔碳载体的制备；五、锂硫电池复合正极材料的制备。本发明采用高温碳化法与水热反应法相结合的方式制备的金属氧化物基复合正极材料通过多孔碳导电骨架和双极性物质的化学吸附作用有效解决了锂硫电池中元素硫材料导电性差、多硫化物的穿梭效应和电极体积膨胀的问题，以二氧化铈、钴‑氮‑碳以及多孔结构的联合配伍实现了优异的循环稳定性能。同时所制备的硫载体材料原料丰富且成本低，合成方法简单，因此适合用于锂硫电池正极材料上进一步商业化。

技术领域

本发明涉及锂硫电池正极材料技术领域，具体涉及一种用于锂硫电池的金属氧化物基复合正极材料的制备方法。

背景技术

随着社会的快速发展，电动汽车、智能网络和移动电子设备已经成为人类社会不可或缺的一部分。然而，以目前的锂离子电池(LiBs)作为储能系统所采用的钴酸锂或磷酸铁锂等一些材料所提供的能量密度无法满足人们的需求。因此，迫切需要寻求其他具有高能量密度的先进电池储能设备。与传统锂离子电池相比，锂硫(Li-S)电池具有更高的理论能量密度(2600Wh kg^-1)，其单质硫固有的优势如硫的价格低廉、无污染及储量丰富等吸引了人们对锂硫电池的关注和研究。但是，锂硫电池在商业化过程中存在一些棘手的问题，如硫(S)及其还原产物(Li₂S₂/Li₂S)的导电性很差，限制了活性物质的利用；在放电过程中多硫化锂在电解液中的溶解产生的“穿梭效应”导致电池库仑效率低和容量衰减快以及在充放电过程中硫正极体积变化出现的活性物质损失导致电池循环稳定性差的问题。针对这些缺点，通常引入载体材料与单质硫复合以解决上述问题，目前最常见的载体材料是将单质硫包裹在各种碳材料当中，通过碳材料的电子导电性以及多孔性改善硫正极存在的问题。然而，以碳为载体材料的物理吸附只能通过范德华力对多硫化物进行吸附，相互作用较弱仍会出现多硫化物溶解穿梭的现象，这不利于锂硫电池长期稳定循环。因此，制备一种能够有效限制多硫化物穿梭的正极活性物质载体材料是实现高能量密度锂硫电池发展的关键所在(1、W.W.Sun,S.K.Liu,Y.J.Li,D.Q.Wang,Q.P Guo,X.B.Hong,K.Xie,Z.Y.Ma,C.M.Zheng,S.Z.Xiong.Advanced Functional Materials,2022,32(43):2205471.2、Y.Yao,C.Y.Chang,R.G.Li,D.Guo,Z.X.Liu,X.Pu,J.Y.Zhai.Chemical EngineeringJournal,2022,431:134033)。

发明内容

本发明的目的是在于为储能系统中的锂硫电池提供一种高效硫载体材料及其制备方法与应用，该载体材料可以解决多硫化物的溶解穿梭、单质硫导电性低以及体积膨胀所引起的锂硫电池电化学性能不良的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术解决方案：

一种用于锂硫电池的金属氧化物基复合正极材料，具体包括以下步骤：

一、碳纳米管的预处理

将质量比为0.1-1:0.01-1的碳纳米管与酸性溶液在室温下搅拌混合，离心、洗涤，即可得到预处理的碳纳米管材料；

二、金属有机骨架/碳纳米管前驱体的制备

将步骤一处理过的碳纳米管与分散剂、硝酸钴六水合物、2-甲基咪唑和甲醇按质量比为0.01-0.1:0.1-1:1-3:1-5:0.01-1配成溶液，在室温搅拌，待溶解后，经过离心、洗涤后即可得到金属有机骨架/碳纳米管前驱体；

三、钴基氮掺杂多孔碳骨架材料的制备