[发明专利]一种硫/氮化钴/多孔碳片/碳布自支撑锂硫电池正极材料制备方法

说明书

一种硫/氮化钴/多孔碳片/碳布自支撑锂硫电池正极材料制备方法，属于新能源材料电化学储能领域。这种制备方法使用金属有机骨架化合物为前驱体，碳布为载体，金属有机骨架化合物垂直均匀生长在柔性的碳布上，通过碳化氮化等处理得到氮化钴颗粒镶嵌的纳米碳片，且该多孔纳米碳片以垂直生长方式负载于碳布的纤维表面之上，作为锂硫电池正极材料展现出良好的电化学性能。该复合型自支撑锂硫电池电极材料具有发达的孔隙结构，大幅度缩短了离子、电子和电解液等物质的扩散距离，纳米级尺寸的氮化钴颗粒对多硫化合物兼具吸附和催化转化多硫化物的作用，因此，多硫化物的溶解和穿梭得到有效的抑制，同时碳布显著增强材料的导电能力，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种硫/氮化钴/多孔碳片/碳布自支撑锂硫电池正极材料制备方法，属于新能源材料电化学储能领域。

背景技术

随着便携式电子产品的普及和电动汽车的迅猛发展，对储能技术的要求愈来愈高。传统锂离子电池的能量密度和功率密度难以满足新型器件和设备对储能的要求。新型电池锂硫电池具有较高的比容量（1675 mAh/g）和高能量密度（2675Wh/kg），并且正极活性材料硫的储量十分丰富、价格低廉、环境友好。所以，锂硫电池相比于锂离子电池具有很大的发展潜力和应用前景。

碳基材料是锂硫电池正极材料广泛采用的主体材料，例如碳纳米管、石墨烯、多孔碳、石墨烯纳米带、碳纤维等。人们可以利用碳材料自身的导电性和对锂硫电池充放电中间体多硫化物的物理限域作用来有效提高锂硫电池的稳定性，而在碳材料中掺入其它杂原子例如氮、氧、硫等，可进一步提高化学吸附而降低多硫化物的溶解。

金属氮化物在它的晶格结构中，氮原子占据立方或六方密堆积金属晶格的间隙。金属的d轨道可以相互重叠，固态时大多呈现金属光泽，具有较高的导电性和出色的电化学稳定性，因此，近年来，金属氮化物常用于超级电容器和锂电池电极材料。

金属有机骨架化合物是一种新型多孔材料，这类配合物由金属离子和有机配体配位形成。该系列化合物具有多样性、孔径大小可调等诸多优点。其衍生物不仅继承了金属有机骨架化合物前驱体的多孔特征，而且结构稳定并富有导电性。此外，构成金属有机骨架化合物的过渡金属离子和有机配体可以广泛作为自牺牲模板或者前驱体制备无机纳米材料。例如中国专利CN201510288004.9、CN106025239A等都利用金属有机骨架化合物作为前驱体材料，制备出具有多孔结构的碳材料，并且很好的继承了金属有机骨架化合物自身的结构特征和中心金属物质。进而利用中心金属将其转化成具有多硫化物吸附能力的物质，可以有效提高锂硫电池的性能。

然而，传统正极材料制备各个工序都需要精准控制，工艺复杂，且电极制备过程需要加入一定量的粘结剂，由于粘结剂不导电且在电池循环过程中容易失效，将导致电池倍率性能不理想，影响了锂硫电池的发展。因此，开发制备方法简单，无需复杂涂布工艺，无需添加粘结剂、导电剂和集流体的自支撑正极材料，将使得电池的能量密度和安全性能得到了很大的提升且应用领域更为广泛。现有制备自支撑正极复合材料的主要方法是：先制备特定结构的材料，将自支撑正极浸泡在硫的熔融液或含硫的溶剂中，再经过低温惰性气氛下处理得到自支撑正极材料。但如何有效制备这种自支撑的正极并且具有较强的循环稳定性、高效的离子传输速率和较强多硫化物吸附性能；仍是本领域技术人员面临的一大挑战。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种硫/氮化钴/多孔碳片/碳布自支撑锂硫电池正极材料制备方法，该制备方法应使用金属有机骨架化合物为前驱体，碳布为载体，金属有机骨架化合物垂直均匀生长在柔性的碳布上，通过碳化氮化等处理得到氮化钴颗粒镶嵌的纳米碳片，且该多孔纳米碳片以垂直生长方式负载于碳布的纤维表面之上，作为锂硫电池正极材料展现出良好的电化学性能。

本发明采用的技术方案是：一种硫/氮化钴/多孔碳片/碳布自支撑锂硫电池正极材料制备方法，该制备方法按照如下步骤进行：