[發明專利]一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210019024.6
• 申請日: 2022-01-10
• 公開（公告）號: CN114497486A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 陳人杰;張楠祥;趙騰;馮濤
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/42;H01M10/052
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料，其特征在于：所述正極材料由具有合適比孔徑大小的碳骨架及其內部孔道和表面所附著的硫、鈷納米顆粒，以及材料外表面的聚合物包覆層所組成；

所述導電碳骨架結構是通過合理選擇碳材料所組成的；

所述負載在碳材料表面的鈷納米顆粒是通過還原鈷鹽得到的；

所述附著在碳骨架及其內部孔道中的硫是通過控制反應物配比并經化學反應制得的；

所述導電聚吡咯包覆層是由精確控制濃度及反應條件得到的；

其中，材料鈷納米顆粒的質量分數為1％～20％，硫的質量分數為80％～92％，碳質量分數為5％～18％，聚合物的質量分數為1％～5％。

2.一種如權利要求1所述的一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：所述方法步驟如下，

(1)將一共10.0～20.0g的碳材料，加入200mL濃硝酸，90℃下保溫12h，隨后對上述材料進行充分洗滌，洗滌至中性后過濾干燥；

(2)將步驟(1)中的材料置于燒杯中，加入500mL硝酸鈷溶液及1L的2-甲基咪唑溶液，攪拌1h后將材料過濾收集，并在60℃真空干燥箱中干燥12h備用；

(3)將步驟(2)中材料，在惰性氣體中(如氬氣、氫氬混合氣、磷化氫)加熱至300℃～800℃，保溫1h～6h后冷卻，得到鈷負載碳材料；

(4)將一共10.0～20.0g的鈷負載碳材料置于燒杯中，加入500～1500mL乙醇，300～600mL H₂O，20～50mL的磷酸，以及一定量的吡咯溶液，在超聲條件下攪拌混勻；

(5)將10～20.0g過硫酸銨置于燒杯中，加入300～500mL H₂O充分攪拌溶解，隨后使用蠕動泵將該過硫酸銨溶液泵入到步驟(4)中分散有鈷負載碳材料的燒杯中，然后再往該分散體系中加入體積分數為50～90％的乙醇溶液2～5L，并保持攪拌；

(6)稱取300～500g的Na₂S·9H₂O置于適當容器中，加入5～15L H₂O攪拌溶解，隨后稱取100～300g硫粉(S)加入到上述Na₂S溶液中，攪拌充分溶解；

(7)取300～500mL的濃鹽酸并加入600～1000mL H₂O充分攪拌溶解；

(8)同時將步驟(6)和步驟(7)中的兩種溶液泵入到步驟(4)中分散有碳粉的體系中進行反應，同時使用水浴控制反應體系溫度；

(9)反應完成后，對反應體系分散液進行過濾，棄去濾液，保留濾餅，隨后對濾餅進行充分洗滌，直至濾液為中性為止；

(10)把洗至中性的濾餅置于燒杯中，然后往燒杯中加入乙醇溶液，充分攪拌分散，然后往該體系中加入100～150mL濃磷酸以及合適體積的吡咯溶液，同時用水浴控制體系溫度；

(11)稱取25～30g的過硫酸銨置于燒杯中，加入300～500mL的H₂O充分攪拌溶解，隨后在攪拌狀態下將該過硫酸銨溶液泵入到步驟(10)中的分散液里，并使其充分反應，整個反應過程中使用水浴對反應體系進行精確控溫；

(12)過濾反應完成后的分散體系，棄去濾液，保留濾餅，隨后對濾餅進行充分洗滌，最后把洗滌至中性的濾餅轉移至50～80℃烘箱中真空干燥一周左右即可得到目標材料。

3.根據權利要求2所述的鈷催化的鋰硫電池用長循環正極材料的制備方法，其特征在于：步驟(1)中，碳顆粒為PTO-100、科琴黑、CMK-3及碳納米管的一種或幾種。

4.根據權利要求2所述的一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：步驟(2)中，硝酸鈷溶液的濃度為0.1～2mol/L。

5.根據權利要求2所述的一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：步驟(3)中，所用氣體為氬氣、氫氬混合氣、磷化氫中的一種或幾種。

6.根據權利要求2所述的一種基于嵌鈷碳骨架的鋰硫電池正極材料的制備方法，其特征在于：步驟(3)中，加熱溫度范圍為300～800℃。