[發明專利]一種開放性籠狀等級孔碳基鋰硫電池正極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710388255.3
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN108933235B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 陳麗華;吳攀;蔡昌;肖珊珊;馮文靜;蔡棋;余勇
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/62;H01M4/38;H01M10/052
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 鄔麗明;李欣榮

本發明公開了一種開放性籠狀等級孔碳基鋰硫電池正極材料及其制備方法，首先將硅溶膠、多巴胺鹽酸鹽、稀硫酸以及十二烷基硫酸鈉混合溶解于水中依次進行沉積、碳化、HF浸泡、烘干形成具有籠狀結構的多孔碳，然后將此多孔碳為載體進行硫填充制備成鋰硫電池正極材料。本發明所得等級孔結構具有較高比表面積和豐富的介微孔結構介微孔，且孔孔相連、孔孔貫通，介孔在保證高比例填硫量的同時，可一定程度緩解體積膨脹效應；介孔周圍或介孔壁上的的微孔擁有較強吸附能力，能夠有效地抑制聚硫化物的散失；此外氮摻雜能夠加強聚硫化鋰和碳結構之間結合能，極大地減少活性物質損失，有效改善電池的循環性能，應用前景廣闊。

技術領域

本發明屬于鋰硫電池技術領域，具體涉及一種開放性籠狀等級孔碳基鋰硫電池正極材料及其制備方法。

背景技術

隨著不可再生化石燃料的逐漸消耗殆盡，以及由此帶來的巨大環境污染和溫室效應問題的日益突出，人類迫切需要發展新的綠色可再生能源來代替目前的能源供應體系。鋰離子電池因為鋰離子二次電池因具有工作電壓高能量密度大(重量輕)無記憶效、應循環壽命長以及無污染等優點，近年來，已經成為各類電子產品的首選電源，已經控制大部分市場份額。但是隨著移動互聯網時代的來臨，各類各樣的電子設備小型化，電動自行車電動汽車大型儲能電站進入大規模發展和應用階段，鋰離子電池能量密度已經明顯不滿足要求了，目前商業化鋰離子電池由于正極材料理論比容量偏低，能量密度的提升空間受到極大限制較低的能量密度和功率密度難以滿足高新技術產業的發展以及人們對大功率電池和高壓儲能方面的更高要求。而硫的理論容量為1675mAh/g，比能量為2600Whkg^-1，是目前商用鋰離子電池容量的5-10倍，此外硫來源廣泛，價格低廉，環境友好，是理想的鋰電正極材料。

但是鋰硫電池也面臨諸多技術難題。首先，單質硫的絕緣性，嚴重影響電子傳導；第二，充放電過程中，一部分中間產物聚硫化鋰極易溶于電解液，來回穿梭于正負極，容易與負極鋰發生發生副反應，沉積于鋰片上，產生“穿梭效應”，使得電池循環穩定性降低。第三，在充放電過程中，正極材料中的環狀S₈溶解在電解液中開環變為長鏈的Li₂S₆，會發生體積膨脹，膨脹率達到80％，會嚴重破壞正極材料的結構穩定性，影響電池的比容量和穩定性。

發明內容

本發明的目的在于提供一種開放性籠狀等級孔碳基鋰硫電池正極材料，擔載高比例的硫的同時，利用等級孔碳材料有效彌補硫的低導電性，在一定程度上緩解體積膨脹效應，另外高效利用微孔的強烈吸附作用以及氮摻雜加強碳與聚硫化鋰的結合能，有效抑制聚硫化鋰的散失，提高鋰硫電池的比容量和循環性能。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種開放性籠狀等級孔碳基鋰硫電池正極材料，它為硫單質填充的呈開放性籠狀3D等級孔結構氮摻雜碳基復合材料，其中氮原子摻雜在呈開放籠狀3D等級孔結構的碳結構中，硫元素填充在碳基材料的孔道結構中，它包括介孔和微孔結構，介孔層層堆積，微孔環繞在介孔壁，介孔和微孔孔孔相連，孔孔貫通，其中介孔孔徑在8-20nm，微孔孔徑為0.45nm。

上述一種開放性籠狀等級孔碳基鋰硫電池正極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將硅溶膠、多巴胺鹽酸鹽、稀硫酸混合于水中，然后加入十二烷基硫酸鈉(SDS)，超聲溶解混合均勻，得混合原料；

2)將步驟1)所得的混合原料進行烘干得固體混合物；

3)將步驟2)所得固體混合物在氬氣氛圍下進行碳化，除去SDS，然后加入HF溶液進行酸化，攪拌除去SiO₂得開放性籠狀等級孔碳材料；

4)將所得開放性籠狀等級孔碳材料烘干后與硫單質研磨混合均勻，然后置于高溫反應釜中，加熱進行保溫反應(硫填充)；

5)將步驟4)所得反應產物在氬氣氛圍下進行吹掃，以期除去多余的硫和孔道表面的硫，即得所述開放性籠狀等級孔碳基鋰硫電池正極材料。