[發明專利]含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料的正極活性物質及其制備方法和電池正極材料及其應用

在審

• 申請號: 202110573452.9
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號: CN115394971A
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 楊宇翔;榮峻峰;謝婧新;李歡;吳耿煌;宗明生
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石油化工股份有限公司石油化工科學研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 劉國平;顧映芬

本發明涉及鋰硫電池正極材料技術領域，公開了一種含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料的正極活性物質及其制備方法和電池正極材料及其在鋰硫電池中的應用。該正極活性物質為復合材料，含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料、石墨烯和單質硫，以復合材料的總量為基準，以鎳計的氮摻雜碳包覆鎳納米材料的含量為0.5?15重量％，石墨烯的含量為5?25重量％，單質硫的含量為55?90重量％。其中，所述氮摻雜碳包覆鎳納米材料包括含有金屬態鎳內核和包覆在金屬態鎳內核表面的氮摻雜石墨化碳層的氮摻雜碳包覆鎳納米顆粒。采用本發明的正極活性物質制備的電池正極材料應用于鋰硫電池中，能夠提高鋰硫電池在高倍率下的充放電性能。

技術領域

本發明涉及鋰硫電池正極材料技術領域，具體涉及一種含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料的正極活性物質及其制備方法和電池正極材料及其在鋰硫電池中的應用。

背景技術

隨著近年來電動汽車與移動電子設備的飛速發展，鋰離子電池的能量密度已難以滿足需要。鋰硫電池因其高的理論比容量(1675mAh g^-1)和理論能量密度(2600Wh kg^-1)，環境友好、安全無毒、成本低廉等優點，被認為是下一代最具前景的高能量二次電池體系而備受關注。鋰硫電池是以硫元素作為電池正極的一種鋰電池，雖然單質硫的理論放電比容量遠遠高于商業上廣泛應用的鋰離子電池，但是單質硫的電子導電性和離子導電性差，硫材料在室溫下的電導率極低(5×10^-30S·cm^-1)，反應的最終產物Li₂S₂和Li₂S也是電子絕緣體，不利于電池在高倍率下的性能。此外，單質硫在充放電過程中形成的中間態多硫化物易溶解在液態電解質中，并隨著電解質的擴散從正極材料中擴散至負極引發不必要的副反應，稱為“穿梭效應”，而“穿梭效應”會導致活性物質硫的損失，使得鋰硫電池的整體性能普遍較低。因此，與鋰離子電池相比，目前，鋰硫電池在高倍率下的容量衰減嚴重、循環性能較差。

在電池的充放電過程中，隨著放電倍率的提高，電化學極化與濃差極化的加重將會嚴重影響電極的高倍率性能。因此，在高倍率放電下的鋰硫電池正極材料不僅需要具有能夠提供鋰離子快速遷入和脫出的通道，同時還需要能夠催化多硫化物的電化學轉化反應，抑制其溶解損失。

為了解決上述問題，研究者們通過采用多孔碳材料與單質硫復合，以增加電極的導電性，并通過多孔碳材料對多硫化物的物理吸附作用防止“穿梭效應”，或者利用過渡金屬氧化物與多硫化物之間的化學吸附作用抑制多硫化物的“穿梭效應”。但是，在實際應用中，多孔碳材料對多硫化物的物理吸附作用較弱，無法有效抑制“穿梭效應”，而過渡金屬氧化物本身導電性較低，無法使鋰硫電池在高倍率下表現出高性能。

發明內容

本發明的目的是為了克服現有技術存在的鋰硫電池高倍率充放電性能不佳的問題，提供了一種含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料的正極活性物質及其制備方法和電池正極材料及其在鋰硫電池中的應用，以實現鋰硫電池的高倍率充放電性能的提升。

為了實現上述目的，本發明第一方面提供一種含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料的正極活性物質，該正極活性物質為復合材料，所述復合材料含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料、石墨烯和單質硫，以所述復合材料的總量為基準，以鎳計的所述氮摻雜碳包覆鎳納米材料的含量為0.5-15重量％，所述石墨烯的含量為5-25重量％，所述單質硫的含量為55-90重量％。

本發明第二方面提供一種含有氮摻雜碳包覆鎳納米材料的正極活性物質的制備方法，該方法包括以下步驟：

(1)將氮摻雜碳包覆鎳納米材料、石墨烯和單質硫混合，得到混合物；

(2)在惰性氣氛下，在不低于硫的熔融溫度下，將所述混合物進行高溫處理。

本發明第三方面提供一種電池正極材料，所述電池正極材料含有正極活性物質、導電劑和粘合劑，所述正極活性物質含有第一方面所述的正極活性物質或者為按照第二方面所述的制備方法制備得到正極活性物質。