[發明專利]一種氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110539710.1
• 申請日: 2021-05-18
• 公開（公告）號: CN113471416B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 張路遙;劉興亮;陳霞;楊茂萍;李道聰
• 申請（專利權）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙) 34119
• 代理人: 余婧

本發明公開了一種氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料的制備方法，包括以下步驟：S1、將間苯二酚、甲醛、硫源、氮源、硼源和分散劑加入水中，加熱攪拌，得到混合液；S2、將所述混合液過濾后，將得到的濾餅高溫干燥，得到前驅體粉末；S3、將所述前驅體粉末在高純氮氣氣氛下煅燒，得到氮硫硼共摻雜碳氣凝膠；S4、將所述氮硫硼共摻雜碳氣凝膠與升華硫混合研磨均勻，在空氣氣氛下燒結，即得。本發明還公開了氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料及其作為鋰硫電池正極材料的應用。本發明制作方法簡單、便于調控，制得的材料能有效解決鋰硫電池的穿梭效應以及體積膨脹等問題，改善鋰硫電池的電化學性能。

技術領域

本發明涉及電池材料技術領域，尤其涉及一種氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著國家對新能源方向的重視，各界人士紛紛開發高能量密度的、環保型的電池。鋰硫電池作為一種非常有潛力的電池，理論克容量高達1675mAh，進入各界人士的眼簾。而且單質硫具有來源廣泛、無毒、無害、廉價、對環境友好等優點。雖然鋰硫電池具有這些優勢，但是其缺點也是不容忽視的。單質硫導電性低，不能直接作為正極材料；循環過程硫電極會有較大的體積變化，影響電池的循環壽命；在充放電過程中會產生多硫化物，造成穿梭效應，降低活性材料的利用率，影響了鋰硫電池的電化學特性。

對于上述提及到的問題，專家們進行了深入的研究分析。目前很多學者采用碳材料與硫復合的形式構成正極材料。其中碳材料具有高的導電性，以及多孔結構，互聯的多孔結構可以固定單質硫以及多硫化物，但是這種物理吸附能力較弱，不能有效減小穿梭效應。

發明內容

基于背景技術存在的技術問題，本發明提出了一種氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料及其制備方法和作為鋰硫電池正極材料的應用。碳氣凝膠具有大的比表面積和微孔互聯結構，能夠物理吸附多硫化物，同時氮硫硼共摻雜可以提供多種官能團進行化學吸附多硫化物，有效減小穿梭效應。

本發明提出的一種氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料的制備方法，包括以下步驟：

S1、將間苯二酚、甲醛、硫源、氮源、硼源和分散劑加入水中，加熱攪拌，得到混合液；

S2、將所述混合液過濾后，將得到的濾餅高溫干燥，得到前驅體粉末；

S3、將所述前驅體粉末在高純氮氣氣氛下煅燒，得到氮硫硼共摻雜碳氣凝膠；

S4、將所述氮硫硼共摻雜碳氣凝膠與升華硫混合研磨均勻，在空氣氣氛下燒結，得到氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料。

優選地，所述間苯二酚與甲醛的摩爾比為1：1.5～2.5；所述間苯二酚與硫源、氮源、硼源、分散劑的摩爾比為1：(0.1～0.5)：(0.1～0.4)：(0.05～0.2)：(0.005～0.01)。

優選地，所述氮硫硼共摻雜碳氣凝膠與升華硫的質量比為1：(1.5～2.5)。

優選地，所述步驟S1中，加熱攪拌溫度為60～90℃，加熱攪拌時間為24～36h。

優選地，所述步驟S2中，高溫干燥溫度為90～120℃，高溫干燥時間為12～24h。

優選地，所述步驟S3中，煅燒溫度為800～1000℃，煅燒時間為2～3h。

優選地，所述步驟S4中，燒結溫度為160～180℃，燒結時間為10～16h。

優選地，所述硫源為硫脲、十二硫醇或其組合；所述氮源為三聚氰胺、尿素或其組合；所述硼源為硼酸、硼砂或其組合；所述分散劑為十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉中的至少一種。

一種氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料，由所述的制備方法制得。

所述的氮硫硼共摻雜碳氣凝膠基硫復合材料作為鋰硫電池正極材料的應用。