[發(fā)明專利]一種含N、O原子的網(wǎng)狀聚合物的自支撐鋰硫正極材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-08-17
• 公開（公告）號: CN111725495B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蹇錫高;胡方圓;劉程;張守海;王錦艷;翁志煥
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;C08G73/06
• 代理公司: 北京五洲洋和知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11387
• 代理人: 榮紅穎;劉春成

本發(fā)明公開了一種含N、O原子的網(wǎng)狀聚合物的自支撐鋰硫正極材料及其制備方法，所述制備方法，包括：步驟一，制備含N、O的二腈單體；步驟二，將所得到的所述二腈單體與催化劑進(jìn)行混合，得到混合物；步驟三，將所述混合物進(jìn)行加熱，得到聚合物；步驟四，將所述聚合物研磨成粉末，之后依次進(jìn)行酸洗、水洗，得到粉末材料；步驟五，將粉末材料與硫進(jìn)行混合，之后進(jìn)行熔融處理，得到網(wǎng)狀聚合物和硫的復(fù)合材料步驟六，將所述網(wǎng)狀聚合物和硫的復(fù)合材料材料與碳納米管加入到水中，進(jìn)行超聲處理、過濾，即得。本發(fā)明含N、O原子的網(wǎng)狀聚合物為正極材料的鋰硫電池具有良好的穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰硫二次電池正極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含N、O原子的網(wǎng)狀聚合物的自支撐鋰硫正極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著全球人口增長，工業(yè)高速發(fā)展，化石燃料的過度使用，環(huán)境污染、能源不足等一系列的問題日趨嚴(yán)重，逐漸威脅到人類的生存與發(fā)展。目前，開發(fā)和利用廉價，綠色，安全，可再生的清潔能源已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。然而，風(fēng)能，太陽能，潮汐能等新型可再生能源均屬于間歇式能源，受地理環(huán)境和氣候變化影響嚴(yán)重。因此新能源的合理高效利用急需一種能與其相匹配的儲能以及轉(zhuǎn)換設(shè)備。在諸多儲能方式中，鋰離子電池具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好性等等突出優(yōu)點(diǎn)，己廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。鋰離子電池的的性能主要由電極材料所決定，而傳統(tǒng)的過渡金屬氧化物基正極材料如鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等的比容量已經(jīng)臨近其理論值，通過對其組成結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)的改進(jìn)難使電池能量密度再有突破性提高。根據(jù)規(guī)劃中所提出的，2020年時國家要實(shí)現(xiàn)動力電池300-350Wh kg^-1的能量密度。因此，電動汽車必須在續(xù)航里程、使用壽命和快速充放電等方面取得技術(shù)突破，才能使其性能提升至與化石燃料汽車相比肩的程度。因此，開發(fā)下一代具有更高能量密度，長循環(huán)壽命，低成本的電化學(xué)儲能體系變得勢在必行。在眾多的電化學(xué)儲能體系中，鋰硫電池被認(rèn)為是一種極具開發(fā)前景的新一代二次鋰電池。與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比。鋰硫電池具有1672mA h g^-1的理論比容量且電池的理論比能量更是高達(dá)2500Wh kg^-1，是傳統(tǒng)鋰離子電池的5倍。此外，硫在地球的表層儲量豐富且十分廉價，這使得鋰-硫電池成為一種富有吸引力的且成本低的儲能技術(shù)。

盡管鋰硫電池在能量密度和成本上具有巨大優(yōu)勢，但仍然存在許多難以解決的致命問題，阻止了其實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)上述鋰硫電池的反應(yīng)機(jī)理和大量的研究結(jié)果表明，鋰硫電池在充放電過程中主要存在以下幾個問題：(1)固態(tài)的單質(zhì)硫和放電產(chǎn)物的電子絕緣性。(2)硫單質(zhì)在放電過程中體積膨脹80％；(3)負(fù)極鋰枝晶；(4)硫化鋰在電解液中的形成、溶解和遷移。多硫化物在電解液中的溶解和傳輸(擴(kuò)散)會嚴(yán)重影響鋰硫電池中活性物質(zhì)硫的電化學(xué)利用率(如放電容量)、倍率性能和循環(huán)壽命。為解決以上問題，多孔碳材料被認(rèn)為是理想材料之一。一方面，碳材料的高導(dǎo)電性可以提高硫的電化學(xué)活性，增強(qiáng)電極導(dǎo)電性；另一方面借助碳材料的多孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的比表面積能吸附多硫化物，抑制多硫化物的溶解擴(kuò)散；此外，碳材料的孔結(jié)構(gòu)還能有效緩解硫電極充放電時的體積變化。但是制備的多碳材料容量普遍缺少極性位點(diǎn)，雜原子和孔結(jié)構(gòu)不可控，這些問題導(dǎo)致傳統(tǒng)的多孔碳材料作為鋰硫電池正極時存在初始比容量不高，循環(huán)穩(wěn)定性差，倍率性能差等問題，難以滿足鋰硫電池商業(yè)化的要求。因此，亟需開發(fā)出一種制備導(dǎo)電性好，極性位點(diǎn)多且可控的多孔碳材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足及缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種含N、O原子的網(wǎng)狀聚合物的自支撐鋰硫正極材料及其制備方法。本發(fā)明制備的網(wǎng)狀聚合物材料具有適宜的比表面積，豐富的雜原子和介孔，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，將其與碳納米管復(fù)合制備出一種優(yōu)異的自支撐鋰硫正極材料。

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

一種含N、O原子的網(wǎng)狀聚合物的自支撐鋰硫正極材料的制備方法，包括：

步驟一，制備含N、O的二腈單體；