[发明专利]一种基于S-Ni-O-C键合增强的锂硫电池复合正极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于S‑Ni‑O‑C键合增强的锂硫电池复合正极材料及其制备方法，以生物炭为载体，其表面嫁接极性含氧官能团，纳米镍颗粒负载在生物炭表面形成Ni‑O‑C结构，再进行固硫即得S‑Ni‑O‑C键合增强的锂硫电池复合正极材料。本发明的复合正极材料，既能保留生物炭骨架的高比表面积，又能在生物炭表面提供过渡金属元素的极性吸附位点，同时还能在硫正极与生物炭之间建立化学键连接，从而有效提升活性材料的稳定性，最终提升电极材料的电化学性能。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，特别涉及一种基于S-Ni-O-C键合增强的锂硫电池复合正极材料及其制备方法。

背景技术

当前社会对于低能耗电动汽车和智能电网存储系统等高能耗应用不断增长的需求，引发了科学界对超越传统锂离子电池的新型电池系统的不断探索。因此，基于硫元素和锂金属间氧化还原反应的锂-硫(Li-S)电池由于其固有的高理论能量密度(2600Wh/Kg)而引起了极大的兴趣。

虽然锂硫电池有着容量大，易加工，成本低等诸多优点，但实际到目前为止，这种新型电池系统仍未实现商业化。硫元素的绝缘性，作为电极材料充放电循环过程中存在的“体积膨胀效应”，以及由多硫化物溶于电解液引起的“穿梭效应”，都严重阻碍着对高容量硫正极材料的充分应用。对于上述问题，一个行之有效的解决办法就是设计理想的硫正极骨架材料，提高正极材料的导电性，同时缓解反应过程中体积膨胀的问题。多孔生物质炭材料由于其高导电性、高比表面积和丰富的孔结构成为最受关注的一类硫正极骨架材料。但是多孔生物质炭是一种非极性的材料，因此无法有效的吸附多硫化物，这将导致锂硫电池充放电过程中多硫化物易溶解于电解液，降低电池循环性性能。因此需要对非极性的多孔生物质炭骨架进行极性修饰，用来加强材料对多硫化物的吸附性。

近期，Chen等(Chen et al.,Nano letters,2016,17(1):437-444.)和Liu等(Liuet al.,Advanced Materials,2018,30(12):1706895.)相继报道了一种以锌/钴双金属类沸石咪唑骨架材料(ZIF-67)为原料的Co掺杂锂硫电池正极材料，证实了过渡金属元素与硫/多硫化物具有较强的亲和性，容易产生化合反应。但是该研究中的原料ZIF-67合成工艺复杂，产率较低，同时制备成本较高，难以实现该材料的商业化应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于S-Ni-O-C键合增强的锂硫电池复合正极材料，既能保留生物炭骨架的高比表面积，又能在生物炭表面提供过渡金属元素的极性吸附位点，同时还能在硫正极与生物炭之间建立化学键连接，从而有效提升活性材料的稳定性，最终提升电极材料的电化学性能。

本发明的另一目的在于提供了所述锂硫电池复合正极材料的制备方法，材料来源广泛，成本低廉，且工艺简单，可重复性好。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于S-Ni-O-C键合增强的锂硫电池复合正极材料，以生物炭为载体，其表面嫁接极性含氧官能团，纳米镍颗粒负载在生物炭表面形成Ni-O-C结构，再进行固硫即得S-Ni-O-C键合增强的锂硫电池复合正极材料。

优选的，所述正极材料中Ni-O-C含量为20～30wt％。

优选的，所述纳米镍颗粒粒径为5～20nm，质量含量占采用的生物炭的5～10wt％。

优选的，所述正极材料中硫含量为70～80wt％。

本发明还提供了所述锂硫电池复合正极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将比表面积为2000～4000m²/g的生物炭与曲拉通X-100溶液混合搅拌后过滤得到表面富集有极性含氧官能团的生物炭；

(2)纳米镍颗粒负载在步骤(1)中的表面富集有极性含氧官能团的生物炭上，得到表面均匀分散着纳米镍颗粒的生物炭材料C-O-Ni；