[发明专利]一种富硼蛋壳型的锂硫电池正极材料、制备方法及其应用

摘要

本发明提供一种富硼蛋壳型的锂硫电池正极材料、制备方法及其应用，属于电极材料领域。以含硼量丰富的硼酸和D‑果糖为硼源和碳源，用纳米SiO₂铸造的方法制备出直径为100～300nm的富硼中空碳壳，利用化学吸附与物理吸附相结合的方式实现对多硫化物更加有效的吸附，限制多硫化物的溶出，富硼中空碳壳充硫之后形成一种蛋壳结构，使得硫内核与富硼中空碳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；同时制得水锰矿型的δ‑MnO2纳米片层，并将其作为载硫材料应用于锂硫电池中，极大的改善电解质在充放电过程中的溶解迁移问题，电池的循环稳定性得以提升。

主权项

1.一种富硼蛋壳型的锂硫电池正极材料的制备方法，其特征在于，所述的锂硫电池正极材料为富硼蛋壳结构，其中蛋核为硫单质，外壳为富硼中空碳壳c；所述富硼中空碳壳c的直径为100～300nm，富硼中空碳壳c的表面富含直径为10～50nm的介孔，富硼中空碳壳c壳厚为50～100nm；所述富硼中空碳壳c与硫单质蛋核之间存在内部空隙，内部空隙的体积占球壳内部空间体积的15～50％；所述富硼蛋壳型的锂硫电池正极材料的制备方法包括以下步骤：第一步，制备二氧化硅模板a室温下，将氨水、乙醇和去离子水按1～5:30～40:10～20的体积比例混合均匀后，加入3～5ml的硅酸四乙酯，在30～40℃的条件下反应1～1.5h，得到混合液A；向混合液A中继续加入3～5ml的硅酸四乙酯和等体积十八烷基三甲基硅烷，搅拌反应1～3h后，室温下保持3～5h，得到混合液B；混合液B离心，固体洗涤、干燥、煅烧后得到二氧化硅模板a；第二步，制备掺硼包覆二氧化硅的核壳结构b：配制质量分数为15～20％的硼酸水溶液，超声处理后将果糖、浓硫酸、第一步得到二氧化硅模板a按照7：1：7的比例混合加入硼酸水溶液中，超声反应1～3h，得到混合液C；将混合液C置于油浴锅中，依次在100～150℃下加热12h～15h，在160℃～180℃下加热12h～15h；再将硼酸、D‑果糖、浓硫酸和去离子水按照10：10：1：60的比例混合后加入混合液C中，并依次在100～150℃下加热12h～15h，在160℃～180℃下加热12h～15h得到混合液D；混合液D冷却至室温后离心、洗涤、干燥后得到掺硼包覆二氧化硅的核壳结构b；第三步，制备富硼中空碳壳c将第二步制备的核壳结构b从室温升温至800～1200℃，并在惰性气氛保护下碳化4～6h，得到碳化产物；用5～10M的NaOH溶液将碳化产物在80～150℃温度下刻蚀6～10h，并用去离子水洗涤至pH值不变，过滤，干燥得到中空的富硼中空碳壳c；第四步，制备富硼中空碳壳‑二氧化锰的共掺杂结构d：将富硼中空碳壳c、高锰酸钾按1：25～30的质量比混合均匀，分散到去离子水中，磁力搅拌使二者充分接触；加入中空碳壳5倍质量的浓硫酸，搅拌30～50min，得到混合液E；将混合液E置于80～100℃的油浴锅中加热1～3h，将加热后的混合液E离心，固体洗涤、干燥后得到富硼中空碳壳‑二氧化锰的共掺杂结构d；第五步，制备富硼中空碳壳‑二氧化锰的共掺杂结构‑硫复合的蛋壳结构的正极材料将升华硫与富硼中空碳壳‑二氧化锰的共掺杂结构d按1：1～4的质量比混合均匀，密封于安瓿瓶中，在真空、155～160℃条件下热处理10h～12h；再升温至300～350℃下热处理2～3h，得到锂硫电池正极材料。