[发明专利]一维氮掺杂双层碳壳/硫的锂硫电池复合正极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池正极材料技术领域，具体涉及一种高比容量、长循环寿命、高倍率性能的一维氮掺杂双层碳壳/硫的锂硫电池复合正极材料。本发明还涉及所述材料的制备方法。

背景技术

随着移动通讯、便携式电子设备、电动汽车和储能设备等相关产业的迅速发展，对电池的性能，特别是比容量、能量密度、循环寿命和倍率性能等，提出了越来越高的要求。因此，开发具有高性能、低成本和环境友好的新型锂离子二次电池具有非常重要的战略意义。正极材料的性能和价格等是制约锂离子电池进一步向高能量密度、长寿命和低成本发展的瓶颈。例如现有的LiFePO₄、LiMn₂O₄及三元材料等正极材料，由于受其较低理论容量的限制，其比容量、能量密度的提升空间非常有限。因此，高能量密度、长循环寿命和低成本的新型锂离子电池正极材料的研究与开发是锂离子电池技术发展的必然趋势。单质硫具有较高的理论比容量(1675mAh/g)和较高的理论比能量(2600Wh/kg)，以及储量丰富、价格低廉、环境友好等优点，有望成为高比能量锂离子电池优良的正极材料。然而，单质硫本身的导电性差(在常温25摄氏度下，导电率仅为5×10^-30S/cm)，且在充放电过程中与锂离子形成的多硫化物易溶于有机电解液中，导致了以单质硫为正极构筑的锂硫电池循环性能差、比容量低、倍率性能差等缺点，从而制约了锂硫电池的进一步市场化。目前，已有许多国内外的科研工作者利用各种方法改善硫电极的电化学性能，例如采用碳材料和氧化物材料以提高硫正极复合材料的导电性能和循环性能。其中，碳材料包括各种孔结构的活性炭，碳管，碳纤维，石墨烯，氧化石墨烯等；氧化物材料包括氧化钴，氧化钛，氧化硅，氧化锰等。这些碳材料和氧化物材料的应用，使得硫正极复合材料的某些方面性能得到了改善，例如比容量、倍率性能、循环性能等。但大倍率的锂硫电池研究的还比较少，由于电动汽车和无人飞机等在启动和加速需要瞬间较大功率，这个是目前锂硫电池所面临的问题，想要在未来的能源领域占得一席之地，还需要研发大倍率、高比容量和长循环性能的锂硫电池正极材料。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种一维氮掺杂双层碳壳/硫的锂硫电池复合物正极材料。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种上述材料的制备方法。

采用本发明的制备方法所得到的材料，结构新颖、性能优异且有望大规模工业化生产出高比容量、高倍率性能和长循环寿命的锂硫电池。

解决上述第一个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种一维氮掺杂双层碳壳/硫的锂硫电池复合物正极材料，其特征是：为以氮掺杂碳材料制成的长形的双层碳壳体，双层碳壳之间分散有纳米微粒形式的单质硫。

备注：在本材料领域中，一维指有两个维度上尺寸处于纳米级别，如纳米线，纳米管，纳米带状结构；二维：一个维度上尺寸处于纳米级别，如纳米片层结构。

本发明是以多孔一维氮掺杂双层碳壳为固硫前驱体，通过真空熔融盐法使单质硫以纳米微粒的形式均匀地分散在碳壳双层内，通过碳壳的一维尺度及双层的厚度来控制硫粒子的大小及硫含量，提高硫的使用率；通过氮掺杂的石墨化碳来提高硫的导电率；碳壳的密闭性及氮硫的配位作用来改善多硫化锂的流失，提高材料的循环性能，从而实现高比容量、大倍率长循环寿命的正极材料的制备。

解决上述第二个技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种如上所述的正极材料制备方法，其特征是包括以下步骤：

(1)将FeCl₃和NH₄H₂PO₄按照常规摩尔比20:1～100:1混合后放入水热反应釜内，在200～250度条件下加热8～30小时，冷却到室温后常规过滤清洗，得到一维的具有中空结构的Fe₂O₃棒的前驱体；将得到的Fe₂O₃前驱体分散到聚合物单体水溶液中搅拌2～4小时，常规过滤清洗，真空干燥得到一维的PDA@Fe2O3复合材料；(@指包覆)

(2)将所得到的复合材料放入到通有保护气的管式炉内，高温碳化1～4小时，温度900～1200℃，然后所得产物放入0.1摩尔/升的盐酸水溶液中刻蚀4～6小时，常规清洗过滤，真空干燥后得到一维的氮掺杂双层碳壳；