[发明专利]一种富氮蛋壳型的锂硫电池正极材料、制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种锂硫电池正极材料及其制备方法，以含氮量丰富的三聚氰胺甲醛树脂为碳源和氮源，用纳米SiO₂铸造的方法制备出直径为100～300nm的富氮中空碳壳，通过物理吸附和化学吸附结合的作用加强对多硫化物的界面吸附作用，有效的抑制多硫化物的迁移及飞梭效应，增强了锂硫电池充放电稳定性。同时所述富氮中空碳壳充硫之后形成一种蛋壳结构，使得硫内核与聚合物外壳之间存在内部空隙，以容纳硫原子锂化过程中的体积膨胀。本发明将上述锂硫电池正极材料应用于制备锂硫电池正极和锂硫电池。所述的锂硫电池具有良好的循环性能和容量保持率。

主权项

1.一种锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，锂硫电池的正极材料为富氮蛋壳结构，蛋核为硫单质，外壳为SiO2为模板制成的直径为100～300nm、厚度为50～100nm的富氮中空碳壳，富氮中空碳壳与蛋核之间有内部空隙；所述的富氮中空碳壳表面含有直径为10～50nm的介孔，所述的内部空隙的体积占球壳内部空间总体积的15～50％；锂硫电池正极材料的制备方法具体包括以下步骤：第一步，制备三聚氰胺甲醛树脂预聚体A室温下，将三聚氰胺、甲醛和去离子水按1g:1.78～3.55ml:10ml的比例加入容器内，搅拌混合均匀后加入三乙醇胺，控制PH在8～9，升温至75℃后继续反应10～20min,过滤，洗涤，干燥后得到三聚氰胺甲醛树脂预聚体A；第二步，制备三聚氰胺甲醛树脂与SiO2复合的核壳结构室温下，将二氧化硅和去离子水加入容器内，搅拌后超声波处理，向容器内加入三聚氰胺甲醛树脂预聚体A，充分搅拌后用酸溶液调节pH＝5～6，升温至60～70℃继续反应1～2h，冷却至室温后过滤，洗涤，干燥得到三聚氰胺甲醛树脂包覆二氧化硅的核壳结构B；所述的三聚氰胺甲醛树脂预聚物A与二氧化硅的质量比为1：2～6；第三步，制备富氮中空碳壳将核壳结构B在惰性的气体保护下，以3℃min‑1的升温速率从室温升至600～800℃后碳化处理2～4h得到碳化产物，将碳化产物用5～10M的NaOH高温刻蚀6～10h,去离子水洗涤至PH值不变，过滤，干燥得到中空的富氮中空碳壳C；第四步，制备富氮中空碳壳C和硫复合的蛋壳结构的正极材料将升华硫和富氮中空碳壳C按1：1～4的质量比混合均匀，密封于安瓿瓶中，真空条件下，在155～160℃热处理10h～12h，大部分熔融硫浸渍到中空的三聚氰胺甲醛树脂碳壳中；再升温至300～350℃下热处理2～3h，残留在三聚氰胺甲醛树脂碳壳外表面的硫挥发的同时，浸渍到碳壳中的硫挥发一部分形成内部空隙，剩余的硫形成蛋核，最终得到锂硫电池正极材料。